Evaluación del desempeño de centrales turbogás durante la puesta en servicio

Transcripción

1 Boletín IIE octubre-diciembre-2014 Tendencia tecnológica Evaluación del desempeño de centrales turbogás durante la puesta en servicio Norberto Pérez Rodríguez, Erik Rosado Tamariz y Carlos Alberto Mariño López Abstract This work is focused on the performance of a turbo gas power plant in terms of energy efficiency (Average Net Power Capacity and Heat Consumption Rate) and emissions and noise levels during acceptance test of the commissioning for the power plant. The evaluation methodology and the results obtained were carried out to demonstrate that the unit operates according with respect to contractual guarantees and it complies with the national and international regulations. The power plant evaluated consists of one aero-derivative combustion turbine generator installed as part of a simple cycle power block operating in conjunction with an inlet chiller system. The evaluation conditions of the unit include the base load operation and a partial load case. As a final result of this evaluation, it is guarantee to the costumer that the power plant, their systems and equipment s, satisfy the requirements, specifications and performance in terms of energy efficiency and emissions and noise levels in agreement with the manufacturer references and applicable regulations. Introducción Se instalaron 14 plantas tipo turbogás de 32 MW, impulsadas por turbinas aeroderivadas, alimentadas por gas natural, para un total de 448 MW. Debido al incremento de la demanda de energía eléctrica en la zona conurbada de la Ciudad de México con los municipios del Estado de México, así como la problemática inherente a la generación y distribución de energía eléctrica en las zonas de mayor demanda, se realizó el proyecto de instalación de 14 plantas tipo turbogás de 32 MW, impulsadas por turbinas aeroderivadas, alimentadas por gas natural, para un total de 448 MW que vinieran a solucionar el problema de generación y distribución de potencial eléctrico en las zonas críticas de la zona de cobertura del área metropolitana de la Ciudad de México. Con la adquisición, instalación y puesta en operación de estas catorce unidades fue necesario evaluar su desempeño y determinar el nivel de cumplimiento de las garantías estipuladas en el contrato, así como presentar una evaluación de origen para el seguimiento del desempeño de estas unidades en operación futura. 148

2 Tendencia tecnológica Cada planta de generación consiste de una unidad aeroderivada con turbina de combustión-generador instalado en un bloque de fuerza de ciclo simple, operando en conjunto con un sistema de enfriamiento (chiller), con capacidad efectiva de generación para una altitud de operación determinada y operación bajo cualquier régimen de carga. En la figura 1 se muestra una vista general de la central de generación. Evaluación del desempeño de la unidad de generación Evaluación de eficiencia energética La evaluación de rendimiento en términos de capacidad neta ( ) y consumo térmico unitario (Q RATE ) se desarrolló en condiciones de operación a carga base con el sistema de enfriamiento de aire a la entrada de la turbina en funcionamiento y las mediciones de la prueba se basaron en una combinación de instrumentos de precisión e instrumentación de la planta. Los instrumentos de precisión instalados específicamente para la prueba fueron aislados e independientes del sistema (no conectados con él). Se utilizó un Sistema de Adquisición de Datos (DAS, por sus siglas en inglés) temporal para monitorear las condiciones ambientales. La capacidad neta ( ) de la unidad de generación se midió sobre el lado de alta del transformador principal con un medidor [watt/hr] (DMM-B) propio de la unidad. Las lecturas de energía se registraron de forma manual desde la pantalla del medidor. Las lecturas de energía [kwh] y los tiempos exactos de adquisición de datos fueron utilizados para determinar la capacidad neta promedio y el consumo térmico unitario neto de acuerdo a las siguientes formulaciones: = P MEND PM START Dt Q CONS = m t (Q ATM + h CC + h ATM ) Dt [1] [2] Q RATE = Q CONS [3] Figura 1. Vista general de la central de generación. Parámetro Valor Combustible Gas natural Carga Base Temperatura ambiente 18 C Humedad relativa 60% Altitud 2,250 m Presión barométrica Bar Poder calorífico inferior combustible 47,496 kj/kg Tabla 1. Condiciones ambientales de prueba. Los resultados de y Q NET deben ser corregidos, considerando la variación de las condiciones medioambientales al momento de la prueba con respecto a las condiciones de diseño. Las condiciones ambientales de prueba a considerar en la corrección se muestran el tabla 1. Para determinar los valores garantizados de desempeño en la unidad turbogás es necesario ajustar los valores de y Q NET, considerando las condiciones base. Esto se realiza mediante el uso de curvas de corrección por temperatura, presión barométrica, humedad relativa y poder calorífico del combustible. En las figuras 2a y 2b se muestran las curvas de corrección por temperatura-presión barométrica, humedad relativa-poder calorífico del combustible que se aplican a la unidad de generación evaluada. La capacidad neta garantizada corregida (C ) y el consumo térmico unitario neto garantizado corregido (CQ RATE ) son calculados al ajustar los valores de y Q NET a los valores garantizados, considerando la metodología de corrección mostrada en las siguientes formulaciones: C = F 1P F 2P F 3P F 4P [4] 149

3 Boletín IIE octubre-diciembre-2014 Tendencia tecnológica Figura 2a. Curva de corrección por temperatura y presión barométrica. Figura 2b. Curva de corrección por humedad relativa y poder calorífico (combustible). Q RATE CQ RATE = [5] F 1HR F 2HR F 3HR F 4HR Los factores de corrección F 1P, F 2P, F 3P, F 4P, F 1HR, F 2HR, F 3HR y F 4HR son calculados mediante una interpolación lineal entre los puntos mostrados en las curvas de corrección (figuras 2a y 2b). Se presenta el comparativo de los resultados obtenidos en las pruebas de evaluación con respecto a los valores establecidos por el fabricante y las correcciones por condiciones de prueba. Evaluación de niveles de ruido Las pruebas de emisión de ruido se desarrollan cuando la unidad se encuentra operando a capacidad neta y consumo térmico unitario. Se desarrollan mediciones de prueba en dos configuraciones denominadas campo cercano y campo lejano. La configuración de campo cercano constituyen a todas y cada una de las inmediaciones circundantes a los sistemas equipos o maquinaria denominados como zonas críticas de medición, mientras que la zona campo lejano incluya todos y cada uno de los puntos de medición establecidos alrededor del predio donde se encuentra instalada la fuente de emisión de ruido, separadas por el muro de contención acústico. Para desarrollar las mediciones de ruido a campo cercano se seleccionaron zonas críticas donde se producen las emisiones de presión de ruido en niveles máximos, colectando datos con un sonómetro ca- 150

4 Tendencia tecnológica Figura 3. Comparativo del comportamiento en cuanto a capacidad neta garantizada. Figura 4. Comparativo del comportamiento en cuanto a consumo térmico unitario. Figura 5. Comparativo del comportamiento de emisiones de presión de ruido [dba]. librado que se dirige hacia la fuente de generación de ruido a una distancia de dos metros durante un tiempo de prueba de 30 a 90 minutos, mientras que para la prueba de emisión de presión de ruido en campo lejano se utilizó un mismo procedimiento y equipo, con la diferencia que los puntos de medición fueron localizados lo más cercano posible a una distancia de 0.30 metros fuera de la zona aislada y una altitud de 1.20 metros del nivel del piso. Por último se compararon los resultados obtenidos con la emisión de ruidos máxima permitida, establecida para las fuentes fijas en la Norma Oficial Mexicana NOM 081-ECOL. Figura 6. Comparativo del comportamiento de las mediciones de óxidos de nitrógeno (N OX ) durante las pruebas de emisiones contaminantes a carga base y carga parcial (75%) con respecto a los valores garantizados y la normatividad aplicable. Como resultado final de esta evaluación se muestra el comparativo de los resultados obtenidos en las pruebas de evaluación, con respecto a los valores establecidos por el fabricante y las normatividades aplicables en términos de niveles de emisión de presión de ruido. Evaluación de niveles de emisiones atmosféricas Las mediciones de prueba para la evaluación de emisiones atmosféricas fueron desarrolladas, utilizando un sistema de monitoreo continuo de emisiones (CEMS por sus siglas en inglés) instalado en sitio. El CEMS debe ser calibrado en planta antes y después de la prueba, con una desviación permisible del 3% con respecto a los gases de referencia. Las mediciones fueron registradas 151

5 Boletín IIE octubre-diciembre-2014 Tendencia tecnológica Como resultado de este proceso, la entidad propietaria de la unidad de generación cuenta con el referente y la garantía de que su central generadora trabaja correctamente, satisfaciendo todos los requisitos, condiciones y especificaciones técnicas y la obtención de un buen rendimiento de la unidad, como se muestra numéricamente en la tabla 2. Referencias BS British Standard Specification for Gas turbine acceptance tests, British Standard Institution, ASME PTC Performance Test Code on Gas Turbine.. Performance Test Codes, ASME, manualmente desde la interfaz PC del CEMS. Los datos fueron colectados en intervalos de tiempo de cinco minutos en un periodo de prueba de 110 minutos totales para cada carga y las corridas de la prueba fueron desarrolladas para carga nominal y carga parcial (75%) a capacidad neta de 32 MW y 21 MW respectivamente. En la figura 6 se muestra el comportamiento de las mediciones de emisiones de óxidos de nitrógeno (N OX ) para las pruebas de emisiones contaminantes al 100% y 75% con respecto a los valores garantizados por el fabricante y normatividades aplicables. NOM-081-ECOL Límites máximos permisibles de emisión de ruido de las fuentes fijas y su método de medición. Norma oficial mexicana 081, GE, SCP916- Commissioning Manual. Combustion Turbine Generator System Test Procedure. GEIOC, January GE, CTP901- Commissioning Manual. Net Capacity and Net Unit Heat Consumption Performance Test Procedure, January Conclusiones El trabajo desarrollado se basa en el criterio de confiabilidad y eficiencia energética de la unidad, con la finalidad de establecer los parámetros del desempeño que determinen el nivel de cumplimiento de las garantías estipuladas en el contrato de adquisición, instalación y puesta en operación de estas unidades, así como para establecer un punto de referencia para futuras evaluaciones del desempeño. Se comprueba que la unidad cumple con las normativas existentes y los estándares aplicables en cada punto del diagnóstico. Valores de Comparación Valor Garantizado Regulaciones Aplicables Pruebas de evaluación Capacidad Neta [kw] Consumo Térmico [kj/kwh] Presión de Ruido [dba] Campo Cercano Campo Lejano Emisiones NOX [ppmv] 31,360 9, NA NA ,891 9, Tabla 2. Especificaciones técnicas y rendimiento de la unidad. 152

6 Tendencia tecnológica De izquierda a derecha: Carlos Alberto Mariño López, Norberto Pérez Rodríguez y Erik Rosado Tamariz. NORBERTO PÉREZ RODRÍGUEZ [npr@iie.org.mx] ERIK ROSADO TAMARIZ [erosado@iie.org.mx] Maestro en Ingeniería Mecánica opción Diseño por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), Campus Monterrey en Ingeniero Electromecánico por el Instituto Tecnológico de Minatitlán Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1989 como becario de tesis Licenciatura. Labora en el IIE desde 1991, participando en proyectos enfocados a la evaluación del estado operacional de turbogeneradores de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), involucrando actividades específicas en las áreas de la dinámica de rotores y diagnóstico de fallas mediante el estudio del comportamiento estructural de componentes. Además participó en proyectos relacionados con la supervisión y evaluación de la puesta en servicio, operación y aceptación de plantas generadoras turbo gas. Destaca su Certificación en Análisis de Vibraciones Categoría I, proporcionado por el Vibrations Institute y de Termografía Nivel I proporcionado por el Infraspection Institute. Ha publicado más de diez artículos en conferencias y congresos nacionales e internacionales. Fue distinguido como miembro del Sistema Estatal de Investigadores 2009 y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por el Instituto Tecnológico de Veracruz. Ingeniero Mecánico por el mismo Instituto. Desde 2008 se desempeña como investigador en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en la Gerencia de Turbomaquinaria, en las áreas de análisis numérico CFD y MEF, mejora de sistemas y evaluación de componentes mecánicos de centrales eléctricas. Ganador del primer lugar a nivel maestría en la categoría de Generación de Energía Eléctrica en el XXIV Certamen Nacional de Tesis. CARLOS ALBERTO MARIÑO LÓPEZ [camarino@iie.org.mx] Maestro en Ciencias en Ingeniería Energética con especialidad en Ingeniería Térmica por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) Campus Monterrey en Ingeniero Mecánico por el Instituto Tecnológico de Ciudad Madero en Desde 1994 trabaja en la Gerencia de Turbomaquinaria (GTM) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en el área de evaluación y diagnóstico de turbomaquinaria. Ha participado en proyectos relacionados con el análisis de la disminución de potencia y eficiencia por el desgaste de componentes del canal de flujo de turbinas de vapor y gas; la evaluación en línea de turbinas de vapor; el desarrollo de programas para el monitoreo del régimen térmico; el aprovechamiento del potencial energético de vapor geotérmico de baja entalpía, la especificación de equipos y el desarrollo de bases de licitación. 153