Informe Técnico II - Mínimo Técnico Unidad Kelar Configuraciones en Operación con Combustible Diésel

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1 Technical Report II - Minimum Output Power of the Kelar Generating Unit Configurations Operating with Diesel Oil DOCUMENT NUMBER G-AA-OT-P003 Revision 1 Issue Date : 21-dic-2016 Page 1 of 25 Informe Técnico II - Mínimo Técnico Unidad Kelar Configuraciones en Operación con Combustible Diésel REV Date Page Description Prepared Checked Approved For Information Felipe Morales Wook Kim Changmin An For Information Felipe Morales Wook Kim Changmin An Project No. : SP2715 CHILE KELAR PROJECT 1 / 25

2 CONTENTS 1 RESUMEN EJECUTIVO INTRODUCCIÓN Objeto MÍNIMO TÉCNICO CICLO SIMPLE CON COMBUSTIBLE DIÉSEL Características de diseño Datos Técnicos Recomendaciones del Fabricante Antecedentes Técnicos a base de Referencias Nacionales e Internacionales Referencias Registros Operacionales Descripción de los registros operacionales Resultados obtenidos a partir de los registros operacionales MÍNIMO TÉCNICO CICLO COMBINADO CON COMBUSTIBLE DIÉSEL Características de diseño Datos Técnicos Recomendaciones del Fabricante Antecedentes Técnicos a base de Referencias Nacionales e Internacionales Referencias Registros Operacionales Descripción de los registros operacionales Resultados obtenidos a partir de los registros operacionales APÉNDICE: GRÁFICAS DE REGISTROS OPERACIONALES Ciclo Simple Kelar TG1 (Diésel) Ciclo Combinado Kelar TG2+0,5Kelar TV (Diésel) Ciclo Combinado Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV (Diésel) / 25

3 1 RESUMEN EJECUTIVO En este documento se informan los valores de los parámetros de mínimo técnico de la central termoeléctrica Kelar, en particular para las siguientes configuraciones de operación en modo ciclo simple y modo ciclo combinado, en funcionamiento con combustible diésel: Kelar TG1, Kelar TG2, Kelar TG1+Kelar TG2, Kelar TG1+0,5Kelar TV, Kelar TG2+0,5Kelar TV y Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV. El material incluido en el informe considera los requisitos establecidos en el Anexo Técnico: Determinación de Mínimos Técnicos en Unidades generadoras, incorporado a la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicio (NTSyCS). Se analiza y concluye acerca de los siguientes tres valores de interés: Mínimo Técnico, correspondiente a la mínima potencia de salida para la cual la respectiva configuración exhibe una operación continua y estable, pero sin consideraciones relativas al cumplimiento de emisiones o la activación del modo regulación de frecuencia. Mínima carga para el cumplimiento de emisiones. Mínima carga para operación en modo regulación de frecuencia. El informe recoge información técnica relevante, principalmente proporcionada por el fabricante de las turbinas o aquella proveniente de registros operacionales. Los valores de Mínimo Técnico, así como las cargas mínimas para activar el modo de regulación de frecuencia y verificar el cumplimiento de emisiones, respectivamente, se resumen en la Tabla 1. Tabla 1: Resumen de valores de Mínimo Técnico y otros parámetros de mínima carga de interés. Configuraciones ciclo simple y ciclo combinado operando con combustible diésel Condición Operacional Configuración Valor basado en Información Técnica (MW-Bruto) Mínimo Técnico Regulación de frecuencia activa Cumplimiento emisiones Valor basado en Registros Operacionales (MW-Bruto) Kelar TG1(2) 6 75 Kelar TG1+Kelar TG Kelar TG1(2)+Kelar 0,5TV 123 (1) 120 Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV 262 (1) 244 Kelar TG1(2) 20 (2) 90 (2) Kelar TG1+Kelar TG2 40 (2) 180 (2) Kelar TG1(2)+Kelar 0,5TV 145 (2) 146 (2) Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV 290 (2) 292 (2) Kelar TG1(2) 74 (3) 75 Kelar TG1+Kelar TG2 148 (3) 150 Kelar TG1(2)+Kelar 0,5TV 123 (4) 120 Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV 262 (4) 244 (1): Valor estimado para la configuración, en la condición de temperatura crítica en la etapa de media presión de la turbina de vapor. (2): Se agrega un margen en torno a 15 MW en la turbina de gas para permitir la capacidad de reducir carga ante condiciones de sobre-frecuencia. (3): Como el nivel de emisiones es función de las condiciones de operación de la turbina de gas, así como también de las condiciones ambientales, se recomienda considerar el valor garantizado por el fabricante. (4): En el caso de las configuraciones ciclo combinado, dado que el valor requerido para verificar el cumplimento de emisiones en las turbinas de gas es levemente inferior al valor de Mínimo Técnico requerido para una operación estable de la turbina de vapor, se informan los valores correspondientes a Mínimo Técnico. 3 / 25

4 2 INTRODUCCIÓN 2.1 OBJETO El objeto de este informe técnico es informar el valor de los parámetros de mínimo técnico de la central termoeléctrica Kelar; así como recolectar toda la información técnica que el CDEC-SING solicita a efectos de sustentar los valores que están siendo informados. El material incluido en este informe considera la información técnica y los documentos indicados en el Anexo Técnico: Determinación de Mínimos Técnicos en Unidades Generadoras, incorporado en la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicio (NTSyCS). Como se indica en el Anexo Técnico previamente mencionado, el valor de Mínimo Técnico corresponde a la mínima potencia activa bruta que la unidad generadora puede suministrar continuamente a la red de manera continua, segura y estable. El Informe Técnico completo ha sido dividido en dos (2) documentos separados: 1) Informe Técnico I: Trata las configuraciones en ciclo simple y ciclo combinado en operación con gas natural 2) Informe Técnico II: Trata las configuraciones en ciclo simple y ciclo combinado en operación con combustible diésel El primer informe ya fue proporcionado a la DO del CDEC-SING, correspondiendo este documento particular al segundo de ellos. Los resultados descritos en este informe han sido resumidos en el Capítulo 1. Los detalles de los análisis correspondientes se han organizado principalmente en el Capítulo 3, para las configuraciones en modo ciclo simple operando con combustible diésel, y en el Capítulo 4, para las configuraciones en modo ciclo combinado también operando con combustible diésel. La estructura de estos dos capítulos es similar y consta principalmente de una sección en la cual se describen las características de diseño de las turbinas de gas y de la turbina de vapor; lo cual incluye datos técnicos, recomendaciones del fabricante y antecedentes de interés obtenidos desde referencias nacionales o internacionales, y de otra sección donde se analiza información basada en registros operacionales a efectos de determinar los valores de interés. 4 / 25

5 3 MÍNIMO TÉCNICO CICLO SIMPLE CON COMBUSTIBLE DIÉSEL En este capítulo se describe el análisis realizado y los resultados obtenidos a efectos de determinar los valores de Mínimo Técnico para las siguientes tres (3) configuraciones: Kelar TG1 (Diésel) Kelar TG2 (Diésel) Kelar TG1 + Kelar TG2 (Diésel) Las componentes Kelar TG1 y Kelar TG2 exhiben características de diseño idénticas, por lo que el análisis, resultados y conclusiones asociados a cualquiera de las dos componentes son válidos para la componente par. Por lo tanto, para evitar información redundante, en esta sección se analiza de manera genérica la turbina de gas modelo GT13E2 fabricada por ALSTOM Power; la cual corresponde al modelo de turbina implementado en el proyecto Kelar. 3.1 CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO Respecto del valor de Mínimo Técnico de la turbina de gas, o de los valores de potencia activa asociados a otras condiciones relevantes a una operación a baja carga, los siguientes tres parámetros fueron identificados como de interés: Carga mínima para el cual se verifica el cumplimiento de emisiones; el cual será denominado como "Carga mínima para cumplimiento de emisiones". Carga mínima para la cual se puede activar el modo de regulación de frecuencia; el cual será denominado como "Carga mínima con regulación de frecuencia activa". Carga mínima para un funcionamiento continuo y estable de la turbina de gas, sin consideración del cumplimiento de emisiones o de la factibilidad de activar el modo de regulación de frecuencia; el cual será denominado como "Mínimo Técnico". Para identificar cada valor del interés, en esta sección se recolectó y analizó información técnica de la turbina de gas GT13E2 de ALSTOM. También se identifican recomendaciones del fabricante, así como datos de referencia de turbinas de gas ya conectadas al SING Datos Técnicos Mínimo Técnico Para la turbina de gas operando con combustible diésel, el valor de Mínimo Técnico es de 6 MW. Este valor ha sido ajustado previamente en el sistema de control de la turbina de gas, CONTROGAS, a través del parámetro "minimum_load". 5 / 25

6 Después que la turbina de gas ha sido sincronizada, el control de potencia/temperatura estabiliza automáticamente la turbina al valor de referencia "minimum_load"; así, la turbina de gas podrá funcionar dentro del rango "minimum_load" a maximum_generator_output". El valor del parámetro minimum_load se especifica para prevenir la operación del relé de potencia inversa, lo cual redundaría en la apertura del interruptor del generador. El ajuste actual de dicho parámetro se puede observar a partir del siguiente fragmento de la lista de ajustes de los parámetros de control asociados a la turbina de gas GT13E Activación del modo Regulación de Frecuencia Para activar el modo de regulación de frecuencia se debe verificar el cumplimiento de las siguientes condiciones: No hay acciones de protección tipo PLS 1, PLST 2 o Trip activas El secuenciador de parada GT shut-down sequencer no está activo La unidad generadora se encuentra conectada al sistema de transmisión El ajuste de la carga de la turbina de gas está por sobre el valor de ajuste del parámetro de mínima carga para activar la regulación de frecuencia FR_min_load_FG No hay procesos de control activos; por ejemplo, la conmutación gas diésel. Para la turbina de gas operando con combustible diésel, la carga mínima que permite activar el modo de regulación de frecuencia es de 6 MW. Este valor ha sido ajustado previamente en el sistema de control de la turbina de gas, CONTROGAS, a través del parámetro "FR_min_Load"; tal como puede observarse a partir del siguiente fragmento de la lista de ajustes de parámetros de control de la turbina de gas GT13E2. 1 Protective Load Shedding (Rechazo de carga) 2 Protective Load Shedding and Trip (Rechazo de carga y Disparo) 6 / 25

7 Cumplimiento de emisiones Para la turbina de gas operando con combustible diésel, el rango de carga para el cual se garantiza el cumplimiento de emisiones varía entre 45% y carga base; siendo 74,3 MW el valor potencia activa equivalente al mínimo de carga para verificar el cumplimiento de emisiones. Los niveles de emisiones se garantizan bajo condiciones de temperatura nominal en el rango de 9.9 a 27.8 C, para composiciones y parámetros específicos del combustible diésel, sobre la base que se consigna a continuación; según se indica en el siguiente extracto del documento de garantías para la turbina de gas GT13E2: Los límites de emisión fueron establecidos acorde a la regulación respectiva, actualmente en aplicación en Chile, la cual establece que las fuentes de emisión nuevas basadas en combustible diésel deben limitar las emisiones de material particulado a un máximo de 30 mg/nm 3, de dióxido de azufre (SO2) a un máximo de 30 mg/nm 3 y de óxidos de nitrógeno (NOx) a un máximo de 200 mg/nm 3. La turbina de gas GT13E2 incorpora un sistema dual con inyección de agua desmineralizada en los quemadores para la operación con combustible diésel, lo cual permite reducir las emisiones de NOx y proteger las toberas. El control de emisiones se logra a través de un apropiado control de la razón entre la inyección de agua desmineralizada y el flujo másico del combustible diésel; la cual es una función del nivel de carga de la turbina de gas y debe permanecer entre límites específicos a efectos de verificar una correcta operación Recomendaciones del Fabricante Con respecto a la operación a Mínimo Técnico o a los respectivos valores de carga mínima, respectivamente, se verifican las siguientes recomendaciones: La consigna de carga para operar en modo Regulación de Frecuencia debe estar por encima de la carga mínima para activarlo, definida como FR_min_load_FO. 7 / 25

8 La operación en modo Regulación de Frecuencia se desactiva automáticamente si la carga de la turbina de gas se encuentra fuera del rango de regulación primaria. Para proporcionar capacidad de reducir potencia por acción de la Regulación Frecuencia primaria ante condiciones de sobre-frecuencia, la turbina de gas debe operar al valor de carga mínimo según el parámetro "minimum_load" más el monto de reserva respectivo. La operación en Regulación de Frecuencia primaria no adiciona Horas Equivalentes. El comportamiento de las emisiones de salida varía según la carga de la turbina de gas y las condiciones ambientales; por lo cual, el cumplimiento de los niveles de emisión requeridos debe comprobarse para cada caso individual. Durante la operación en modo regulación de frecuencia con combustible diésel, la consigna de carga de la turbina de gas varía según la frecuencia presente en el sistema. A efectos de evitar la ejecución excesiva de cambios de modo entre la operaciones en modos Front Stage a Main Stage, y viceversa, se incorpora una banda muerta entre los niveles de carga de 40% y 55%; tal cual se observa en la Figura 3.1. En dicho rango la unidad opera con gradientes normales de incremento y reducción de carga. Figura 3.1: Diagrama de transferencia entre los modos de operación Front Stage and Main Stage y banda muerta asociada para operación en modo regulación de frecuencia Antecedentes Técnicos a base de Referencias Nacionales e Internacionales En la Tabla 3.1 se listan los valores de Mínimo Técnico de las unidades generadoras del SING, considerando las turbinas de gas actualmente en operación, independiente si ellas funcionan como unidad generadora o componente de una unidad tipo ciclo combinado. Se puede concluir que el Mínimo Técnico de las turbinas de gas del proyecto Kelar, según información del fabricante, es significativamente menor que los valores declarados para las turbinas de gas ya conectadas al SING. A modo de comparación, el menor valor de Mínimo Técnico del conjunto de unidades en operación en el SING corresponde a las componentes TG1A y TG1B, pertenecientes a la unidad CC1 de la Central Atacama, por un valor de 22% de su potencia nominal. En el caso de las turbinas de gas GT13E2 del proyecto Kelar, el valor correspondiente alcanza a menos del 4% de la potencia nominal. 8 / 25

9 Tabla 3.1: Mínimo Técnico para las unidades existentes en operación en el SING Configuraciones ciclo simple en operación con combustible diésel Central Configuraciones Componentes Potencia Bruta Potencia Bruta Potencia Bruta Potencia Bruta Razón Unidades Configuración Máxima Mínima Componente Máxima Mínima Pmín/Pmáx [MW] [MW] [MW] [MW] [%] SALTA CC Salta TG11 (Diesel) TG % TG12 (Diesel) TG % TERMOELÉCTRICA MEJILLONES CTM3 CTM3-TG (Diesel) 156, CTM3-TG 156, % TERMOELÉCTRICA TOCOPILLA ATACAMA TG3 TG3 (Diesel) 36,23 10 TG3 36, % U16 U16-TG (Diesel) N/I 75 U16-TG N/I N/I - CC1 TG1A (Diesel) 129,15 28 TG1A 129, % TG1B (Diesel) 129,15 28 TG1B 126, % CC2 TG2A (Diesel) 129,5 28 TG2A 123, % TG2B (Diesel) 126,63 28 TG2B 124, % Referencias 1. HTCT Operating Instruction for the Alstom Gas Turbine GT13E2 - Chile Kelar Project 2. HTCT Set Point List for the Alstom Gas Turbine GT13E2 - Chile Kelar Project 3. HTCT Frequency Response and GT Operation Description for Alstom Gas Turbine Type GT13E2 Project KELAR (Mejillones) 4. Chapter 4 - Guarantees. Mejillones Bay, 2xGT13E2 Equipment Package, Project ID: HCTC Fuel Specifications for GT13E2 with AEV burners 6. CDEC-SING s web site Technical Data of Generating Units 7. Informe Técnico II - Mínimo Técnico Unidad Kelar Configuraciones en Operación con Gas Natural 3.2 REGISTROS OPERACIONALES En esta sección se recopila información de registros de la operación en tiempo real de las componentes del proyecto Kelar, obtenida durante la ejecución de las pruebas de puesta en servicio de la unidad CC Kelar, la cual permite verificar los valores de los parámetros de interés a la operación de la turbina de gas en condiciones de carga mínima Descripción de los registros operacionales Los registros fueron recolectados a partir de la operación evidenciada el 18 de diciembre de 2016; día en el cual la componente Kelar TG1 funcionó con combustible diésel. Los resultados obtenidos también son válidos para el componente Kelar TG2, debido a que ambas turbinas de gas exhiben las mismas características de diseño; además, pueden ser apropiadamente adaptados para la configuración Kelar TG1+Kelar TG2, cuando corresponda. 9 / 25

10 Basado en el análisis descrito en la sección 3.1.1, se verificó el valor correspondiente al parámetro Mínimo Técnico. El desarrollo general de la operación considera la reducción de potencia de la respectiva configuración hasta verificar alguna limitación que impida continuar con el proceso de reducción de carga. Los equipos de supervisión y registro de variables corresponden principalmente al Sistema de Control Distribuido (DCS) y al Sistema de Monitoreo Continuo de Emisiones (CEMS); las variables eléctricas y de proceso registradas se listan en la Tabla 3.2. La supervisión de cada etapa de reducción de potencia se realizó durante un período ininterrumpido de 15 minutos. El tiempo de muestreo es 1 seg., a partir de los cuales se obtuvieron tendencias basadas en valores promedio por minuto. Tabla 3.2: Variables obtenidas desde los registros operacionales Configuración Kelar TG1 (Diésel) N Señal Etiqueta Descripción Unidad 1 11MKA10CE901_XJ50 Potencia activa TG1 MW 8 1AIT-AX001 NOx chimenea desvío gases, CEMS1 mg/nm 3 9 1AIT-AX002 SO2 chimenea desvío gases, CEMS1 mg/nm 3 Nota: El número de la señal corresponde al número utilizado como marca en las gráficas de desempeño de las variables Resultados obtenidos a partir de los registros operacionales El comportamiento general evidenciado se muestra en la Figura 5.1 del Apéndice: Gráficas de Registros Operacionales. Se verificó que el comportamiento dinámico y la operación de la turbina de gas resultaran estables; principalmente a través de la supervisión de las variables relevantes a los procesos asociados a la regulación de carga/frecuencia, combustión y control general de la turbina de gas. A su vez, se supervisó la respuesta asociada a las emisiones de NOx y SO2 en los diferentes niveles de potencia de salida de la turbina de gas. Con respecto a los valores para los parámetros de interés, a partir de los registros operacionales se pueden extraer las siguientes conclusiones: Con el fin de verificar el valor real de la carga mínima para cumplimiento de emisiones, se redujo secuencialmente la potencia de salida de la turbina de gas. En una primera etapa el proceso se detuvo en torno a un 45% del valor de Carga Base, valor garantizado por el fabricante. Para el valor de carga de 77,5 MW las emisiones de SO2 resultan ser muy poco significativas, y las emisiones de NOx alcanzaron el valor de 55.9 mg/nm3. Ante una reducción adicional en la potencia de salida de la turbina de gas, las emisiones de NOx se incrementan significativamente, alcanzando un valor de 140 mg/nm3, el cual supera el valor permitido por la norma de emisiones vigente. 10 / 25

11 Para valores menores de carga, el nivel de emisiones se mantiene muy alto, incluso excediendo el valor de 200 mg/nm3 cuando la turbina de gas opera en torno a 50 MW. Para el valor de 6 MW, correspondiente al valor de Mínimo Técnico identificado a partir de la información proporcionada por el fabricante, el nivel de emisiones aún se mantiene por sobre el máximo permitido por la normativa vigente; alcanzando un valor en torno a 160 a mg/nm3. Para el mismo valor de 6 MW, la combustión se hace algo más inestable, dado que la turbina opera en el modo Front Stage con sólo un anillo de combustión encendido. La operación en modo Main Stage, en la cual se opera con ambos anillos de combustión encendidos, se activa al valor de carga relativa de 50%; equivalente a unos 75 MW. A efectos de evitar el incumplimiento en el nivel de emisiones máximo requerido, se estima apropiado incrementar en torno a 15 MW el valor de la consigna de carga, por sobre el valor de 75 MW. De acuerdo a lo anterior, un valor tentativo de 90 MW podría ser considerado como valor de carga mínima adecuada para lograr el cumplimiento de emisiones, cuando se opera en modo Regulación de Frecuencia activo. 11 / 25

12 4 MÍNIMO TÉCNICO CICLO COMBINADO CON COMBUSTIBLE DIÉSEL En este capítulo se describe el análisis realizado y los resultados obtenidos a efectos de determinar los valores de Mínimo Técnico para las siguientes tres (3) configuraciones: Kelar TG Kelar TV (Diésel) Kelar TG Kelar TV (Diésel) Kelar TG1 + Kelar TG2 + Kelar TV (Diésel) Las componentes Kelar TG1 y Kelar TG2 exhiben características de diseño idénticas, por lo que el análisis, resultados y conclusiones asociados a una de las configuraciones compuesta por una turbina de gas y la turbina de vapor, configuración tipo TG + 0.5TV, son válidos para la configuración par; así como también pueden ser apropiadamente aplicados para la configuración Kelar TG1 + Kelar TG2 + Kelar TV. Por lo tanto, para evitar información redundante, en esta sección se analiza de manera genérica la configuración Kelar TG + Kelar 0.5TV. En el caso de la configuración Kelar TG1 + Kelar TG2 + Kelar TV, donde corresponda, su análisis se realiza en forma particular. 4.1 CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO Respecto del valor de Mínimo Técnico para las tres configuraciones ciclo combinado en cuestión, o de los valores de potencia activa asociados a otras condiciones relevantes a una operación a baja carga, al igual que en el caso de las configuraciones en ciclo simple se identificó los siguientes tres parámetros de interés: "Carga mínima para cumplimiento de emisiones"; que corresponde al valor de carga mínima para el cual se verifica el cumplimiento de emisiones. "Carga mínima con regulación de frecuencia activa"; que corresponde al valor de carga mínima para la cual se puede activar el modo de regulación de frecuencia. "Mínimo Técnico"; que corresponde al valor de carga mínima para verificar un funcionamiento continuo y estable de las respectivas configuraciones ciclo combinado, sin consideración del cumplimiento de emisiones o de la factibilidad de activar el modo de regulación de frecuencia. Sin embargo, en el caso particular de la operación en configuraciones ciclo combinado; se debe considerar lo siguiente: El nivel de emisiones de NOx depende de la carga de las turbinas de gas presentes y no se ve modificado por la operación de la turbina de vapor. Esto implica que el valor de mínima carga para verificar el cumplimiento de emisiones de NOx, con la turbina de vapor en operación, es el mismo que la configuración respectiva que contiene el mismo número de turbinas a gas. 12 / 25

13 La turbina a vapor opera ya sea en el modo presión deslizante o en el modo control de presión; el modo de control específico presente en la turbina depende de las condiciones de operación, principalmente la presión de vapor, y es seleccionado automáticamente por el sistema de control de la turbina. Cuando se comanda la reducción de potencia en la turbina a vapor, por ejemplo desde carga base, la presión se reduce naturalmente y entonces el sistema de control cambia automáticamente el modo de control de presión deslizante a control de presión. En cualquier caso, la turbina a vapor no participa en la regulación de frecuencia; y entonces el valor carga mínima con regulación de frecuencia depende completamente de las condiciones de operación de las turbinas a gas. De acuerdo a lo anterior, los valores respectivos de Carga mínima para cumplimiento de emisiones y de Carga mínima con regulación de frecuencia activa, para las configuraciones ciclo combinado en cuestión, pueden ser directamente identificados desde los valores correspondientes a la operación en configuración ciclo simple, considerando el valor de mínima carga aceptado por la turbina de vapor. En esta sección se recolecta y analiza información técnica de la turbina de vapor a efectos de identificar el valor del parámetro Mínimo Técnico de interés; también se identifican recomendaciones del fabricante, así como datos de referencia de configuraciones ciclo combinado asociadas a unidades generadoras ya conectadas al SING Datos Técnicos Para las configuraciones ciclo combinado, el valor de Mínimo Técnico puede estar condicionado por las características técnicas de las turbinas a gas, de la turbina a vapor, o las condiciones de operación de los equipos que permiten la interfaz entre ambos tipos de turbinas; como por ejemplo, la caldera recuperadora de calor (HRSG). De acuerdo a información provista por el fabricante, la potencia de salida continua mínima que puede alcanzar la turbina de vapor resulta dependiente de las condiciones presentes en diversas variables de proceso, todas relevantes a una operación segura y estable de la turbina; entre otras, se identifican: Condiciones de presión a la entrada a la etapa de baja presión de la turbina y de presión de escape fuera de los rangos permitidos. Presión de salida desde la etapa de baja presión de la turbina de vapor Estrés térmico en las etapas de media presión o de alta presión de la turbina Temperatura de enfriamiento Temperatura de vapor a la entrada de las etapas de alta presión y media presión En el caso de las condiciones de presión a la entrada a la etapa de baja presión de la turbina y de presión de escape, la potencia de salida mínima aceptable para una operación continua y estable en la turbina a vapor podría alcanzar un valor de 58 MW; tal cual se muestra en el diagrama de estado asociado de la Figura / 25

14 Figura 4.1: Diagrama de estado: presión de entrada a la etapa de baja presión de la turbina, presión de salida turbina y carga turbina. 14 / 25

15 En el caso de la presión de salida desde la etapa de baja presión de la turbina de vapor, la potencia de salida mínima aceptable para una operación continua y estable en la turbina a vapor podría alcanzar un valor de 30 MW; tal cual se muestra en el diagrama de estado asociado de la Figura 4. Figura 4.2: Diagrama de estado: Presión de salida etapa de baja presión versus carga mínima. En relación al estrés térmico en las etapas de media presión o de alta presión de la turbina, así como las condiciones de temperatura de enfriamiento o de temperatura de vapor a la entrada de las etapas de media y alta presión, según corresponda, no se verifica una relación directa que permita determinar un único valor para la potencia de salida mínima. Sin embargo, durante todo momento el sistema de control de la turbina supervisa las condiciones de operación de interés, verificando que los límites respectivos no sean superados. En el caso particular de la temperatura de vapor a la entrada de etapa de alta presión de la turbina, se debe verificar las condiciones establecidas en el diagrama de la Figura 5 15 / 25

16 Figura 4.3: Diagrama de estado: Condiciones aceptables para temperatura de vapor de salida versus presión, para etapa de alta presión. 16 / 25

17 En el caso de la temperatura de vapor a la entrada de etapa de media presión de la turbina, el valor mínimo de temperatura aceptable es de 438 C; condición que, a partir de los resultados proporcionados en el Informe Técnico I para la operación en modo ciclo combinado con combustible gas natural 3, se verificó para un nivel de carga de 70 MW en la turbina de gas. A base del resultado anterior se analizó las condiciones de operación asociadas al proceso de combustión de la turbina de gas, verificando qué nivel de carga para la operación con combustible diésel asimila las condiciones de energía presentes en los gases de escape para una operación con combustible gas natural al nivel de carga de 70 MW; determinándose que dicho nivel de carga corresponde a 75 MW, según se observa en la Tabla 4.1 de eficiencia de la turbina de gas para las operaciones con combustible gas natural y combustible diésel. Tabla 4.1: Eficiencia para la operación de la turbina de gas. Combustible gas natural (izquierda) y combustible diésel (derecha) Recomendaciones del Fabricante Con respecto a la operación a Mínimo Técnico o a los respectivos valores de carga mínima, respectivamente, se verifican las siguientes recomendaciones: Si cualquiera de los límites de estrés térmico es excedido, para la etapa de alta o la etapa de media presión, la turbina de vapor será detenida. Si la temperatura en la superficie interna de la carcasa externa a la salida de la etapa de alta presión de la turbina excede 460 C, la turbina de vapor será detenida. La diferencia de temperatura entre las partes alta y baja de la carcasa externa de la etapa de alta presión de la turbina no debe exceder 40 C (sección de alta presión) and 45 C (sección de media presión) en ningún momento. 3 Mínimo Técnico Unidad Kelar Configuraciones en operación con Gas Natural 17 / 25

18 La temperatura del agua de enfriamiento determina la presión de vapor de escape en el extremo final de la etapa de baja presión. Una presión de escape más alta, en conjunto con niveles de carga bajos, puede causar ventilación de la última etapa; lo cual no es recomendable por períodos prolongados. La capacidad de operar en forma continua a bajos niveles de carga depende de las condiciones de presión; la cual introduce limitaciones, según se definen en el respectivo diagrama operación Antecedentes Técnicos a base de Referencias Nacionales e Internacionales En la Tabla 4.2 se listan los valores de Mínimo Técnico de las unidades generadoras del SING, considerando las unidades ciclo combinado que actualmente operan con combustible diésel. Se puede concluir que el Mínimo Técnico de las configuraciones ciclo combinado del proyecto Kelar; los cuales se encuentran en torno a 51%, para las configuraciones Kelar TG1+0,5Kelar TV y Kelar TG2+0,5Kelar TV, y 55% para la configuración Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV, respectivamente, resultan ser levemente superiores al promedio observado en las unidades del SING. Tabla 4.2: Mínimo Técnico para las unidades existentes en operación en el SING Configuraciones ciclo combinado en operación con combustible diésel SALTA Central Unidades CC Salta TERMOELÉCTRICA MEJILLONES CTM3 TERMOELÉCTRICA TOCOPILLA ATACAMA U16 CC1 CC2 Configuraciones Componentes Potencia Bruta Potencia Bruta Potencia Bruta Configuración Máxima Mínima Componente Máxima TG11 + TG12 + TV10 (Diesel) TG TV10 (Diesel) TG TV10 (Diesel) CTM3-TG + CTM3-TV (Diesel) U16-TG + U16-TV (Diesel) TG1A + TG1B + TV1C (Diesel) TG1A TV1C (Diesel) TG1B TV1C (Diesel) TG2A + TG2B + TV2C (Diesel) TG2A TV2C (Diesel) TG2B TV2C (Diesel) Potencia Bruta Mínima Razón Pmín/Pmáx Configuración [MW] [MW] [MW] [MW] [%] 642,8 365,0 TG11 208,0 115,0 57% TG12 208,0 115,0 - TV10 226, ,4 185,0 TG11 208,0 115,0 58% TV10 226, ,4 185,0 TG12 208,0 115,0 58% TV10 226, ,8 160,0 CTM3-TG 156,3 100,0 64% CTM3-TV 94,5 60,0-400,0 178,0 U16-TG 280,0 125,4 45% U16-TV 120,0 83,6-399,7 98,0 TG1A 126,7 28,0 25% TG1B 126,7 28,0 - TV1C 135,3 42,0-196,8 91,0 TG1A 129,2 57,0 46% TV1C 135,3 34,0-196,8 91,0 TG1B 126,7 57,0 46% TV1C 135,3 34,0-400,0 98,0 TG2A 123,7 28,0 25% TG2B 124,1 28,0 - TV2C 135,3 42,0-198,0 91,0 TG2A 123,7 57,0 46% TV2C 135,3 34,0-198,0 91,0 TG2B 124,1 57,0 46% TV2C 135,3 34, Referencias 1. Pr Control system functions philosophy - CONDENSING STEAM TURBINE ŠKODA, CHILE KELAR CCPP PROJECT 2. TP Dok Operation Instructions for the Turbine 3. Tp S Description of the start-up diagram & Start-up conditions 4. CDEC-SING s web site Technical Data of Generating Units 18 / 25

19 4.2 REGISTROS OPERACIONALES Esta sección se recopila información de registros de la operación en tiempo real de las distintas configuraciones ciclo combinado del proyecto Kelar, obtenida durante la ejecución de las pruebas de puesta en servicio de la unidad; la cual permite verificar los parámetros de interés a la operación en condiciones de carga mínima Descripción de los registros operacionales Los registros fueron obtenidos a partir de la operación evidenciada durante el día 16 de diciembre, para la configuración ciclo combinado Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV, y el día 17 del mismo mes, para la configuración Kelar TG2 + 0,5Kelar TV. En ambos casos para la operación se utilizó combustible diésel. Se seleccionó aquellos registros operacionales que permitiesen verificar los valores de los parámetros relevantes a la operación de las configuraciones ciclo combinado en condiciones de carga mínima. Los resultados asociados a la configuración Kelar TG2 + 0,5Kelar TV también son válidos para el configuración par Kelar TG1 + 0,5Kelar TV, y viceversa, debido a que ambas turbinas de gas exhiben las mismas características de diseño. Los equipos de supervisión y registro de variables corresponden a los mismos utilizados para obtener los registros operacionales asociados a las configuraciones de operación en modo ciclo simple; ya descritos en la sección Las variables eléctricas y de proceso listadas en la Tablas 4.3 y 4.4 fueron supervisadas y registradas en el Sistema de Control Distribuido (DCS), para las distintas etapas de interés a los procesos de partida y detención, considerando las configuraciones ciclo combinado Kelar TG2+0,5Kelar TV y Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV; respectivamente. La supervisión de cada etapa de reducción de potencia se realizó durante un período ininterrumpido de 15 minutos. El tiempo de muestreo es 1 seg., a partir de los cuales se obtuvieron tendencias basadas en valores promedio por minuto. Tabla 4.3: Variables obtenidas desde los registros operacionales Configuración Kelar TG2+0,5Kelar TV (Diésel) N Señal Etiqueta Descripción Unidad 2 12MKA10CE901_XJ50 Potencia activa TG2 MW 3 MKA01CE001_XQ01 Potencia activa TV MW 4 LBA10CT901_XQ01 Temperatura vapor antes de válvula vapor etapa de alta presión C 5 LBB30CT901_XQ01 Temperatura vapor antes de válvula de control etapa de media presión C 6 LBB20CT901_XQ01 Temperatura vapor antes de válvula de control etapa de media presión C 7 LBA30CT001_XQ01 Temperatura vapor antes válvula vapor etapa de baja presión C 10 2AIT-AX001 NOx chimenea desvío gases, CEMS2 mg/nm AIT-AX002 SO2 chimenea desvío gases, CEMS2 mg/nm 3 Nota: El número de la señal corresponde al número utilizado como marca en las gráficas de desempeño de las variables. 19 / 25

20 Tabla 4.4: Variables obtenidas desde los registros operacionales Configuración Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV (Diésel) N Señal Etiqueta Descripción Unidad 1 11MKA10CE901_XJ50 Potencia activa TG1 MW 2 12MKA10CE901_XJ50 Potencia activa TG2 MW 3 MKA01CE001_XQ01 Potencia activa TV MW 4 LBA10CT901_XQ01 Temperatura vapor antes de válvula vapor etapa de alta presión C 5 LBB30CT901_XQ01 Temperatura vapor antes de válvula de control etapa de media presión C 6 LBB20CT901_XQ01 Temperatura vapor antes de válvula de control etapa de media presión C 7 LBA30CT001_XQ01 Temperatura vapor antes válvula vapor etapa de baja presión C 8 1AIT-AX001 NOx chimenea desvío gases, CEMS1 mg/nm 3 9 1AIT-AX002 SO2 chimenea desvío gases, CEMS1 mg/nm AIT-AX001 NOx chimenea desvío gases, CEMS2 mg/nm AIT-AX002 SO2 chimenea desvío gases, CEMS2 mg/nm 3 Nota: El número de la señal corresponde al número utilizado como marca en las gráficas de desempeño de las variables. Basado en el análisis descrito en la sección , se verificaron los correspondientes valores para el parámetro de Mínimo Técnico. El desarrollo general de la operación considera la reducción de potencia de las respectivas configuraciones hasta verificar alguna limitación que impida continuar con el proceso de reducción de carga Resultados obtenidos a partir de los registros operacionales El comportamiento general evidenciado se muestra en la Figura 5.2 y Figura 5.3 del Apéndice: Gráficas de Registros Operacionales, para las configuraciones ciclo combinado Kelar TG2+0,5Kelar TV y Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV; respectivamente. Se verificó que el comportamiento dinámico y la operación de las configuraciones ciclo combinado resultaran estables; principalmente a través de la supervisión de las variables relevantes a los procesos asociados a la regulación de carga/frecuencia, combustión y control general de las turbinas de gas y de la turbina de vapor. A su vez, se supervisó la respuesta asociada a las emisiones de NOx y SO2 en los diferentes niveles de potencia de salida de la turbina de gas. Con respecto a los valores para los parámetros de interés, a partir de los registros operacionales se pueden extraer las siguientes conclusiones: Mínimo Técnico El valor de mínimo técnico, para las dos configuraciones en análisis a partir de los respectivos registros operacionales, se verificó para la condición de operación en la cual se alcanza la temperatura crítica en la etapa de media presión de la turbina, correspondiente a 438 C, y para el cual se despliega la respectiva alarma por baja temperatura. Para valores de temperatura superiores al valor de 438 C en la etapa de media presión no se verificó el despliegue de otras alarmas. 20 / 25

21 El valor de potencia activa en la turbina de gas, la cual condiciona las temperaturas en la caldera recuperadora de calor y entonces a la entrada de la etapa de media presión de la turbina, corresponde a 75 MW; lo cual aproxima perfectamente el valor teórico de 75 MW obtenido mediante el balance térmico asociado. El valor de potencia activa en la componente Kelar TV, para la configuración ciclo combinado Kelar TG2+0,5Kelar TV, aproxima 45 MW; y en el caso de la configuración ciclo combinado Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV, aproxima 94 MW. Así, los respectivos valores de Mínimo Técnico corresponden a: Configuración Kelar TG1+0,5TV=120 MW (TG1=75 MW, TV=45 MW) Configuración Kelar TG2+0,5TV=120 MW (TG2=75 MW, TV=45 MW) Configuración Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV=244 MW (TG1=75 MW, TG2=75 MW, TV=94 MW) Carga Mínima en Modo Regulación de Frecuencia Activo A base del valor de Mínimo Técnico detectado, se concluye que en configuración ciclo combinado las turbinas de gas no podrían operar en modo Regulación de Frecuencia a valores menores de 75 MW, cada una. De acuerdo a lo anterior, y afectos de verificar una capacidad de reducción de potencia por Regulación de Frecuencia en las turbinas de gas, tal que no se gatille una reducción de temperatura al valor crítico a la entrada de la etapa de media presión de la turbina de vapor; se considera apropiado recomendar los siguientes valores de carga mínima con regulación de frecuencia activa, considerando un margen de 15 MW para reducción de carga en cada turbina de gas: Configuración Kelar TG1+0,5TV=146 MW (TG1=90 MW, TV=56 MW) Configuración Kelar TG2+0,5TV=146 MW (TG2=90 MW, TV=56 MW) Configuración Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV=292 MW (TG1=90 MW, TG2=90 MW, TV=112 MW) Carga Mínima para Verificar Cumplimiento de Emisiones El cumplimiento de emisiones depende básicamente de las condiciones de operación de las turbinas de gas, verificándose un cumplimiento en torno a 75 MW, valor para el cual también se verifica una temperatura apropiada a la entrada de la etapa de media presión de la turbina de vapor. De acuerdo a lo anterior, los valores de carga mínima para cumplimiento de emisiones corresponden a: Configuración Kelar TG1+0,5TV=120 MW (TG1=75 MW, TV=45 MW) Configuración Kelar TG2+0,5TV=120 MW (TG2=75 MW, TV=45 MW) Configuración Kelar TG1+Kelar TG2+Kelar TV=244 MW (TG1=75 MW, TG2=75 MW, TV=94 MW) 21 / 25

22 5 APÉNDICE: GRÁFICAS DE REGISTROS OPERACIONALES Las siguientes figuras muestran las tendencias gráficas de las variables operacionales registradas. 5.1 CICLO SIMPLE KELAR TG1 (DIÉSEL) Figura 5.1: Determinación de Mínimo Técnico - Comportamiento general observado a partir de los registros operacionales. 5.2 CICLO COMBINADO KELAR TG2+0,5KELAR TV (DIÉSEL) Figura 5.2: Determinación de Mínimo Técnico - Comportamiento general observado a partir de los registros operacionales. 5.3 CICLO COMBINADO KELAR TG1+KELAR TG2+KELAR TV (DIÉSEL) Figura 5.3: Determinación de Mínimo Técnico - Comportamiento general observado a partir de los registros operacionales. 22 / 25

23 5.1 CICLO SIMPLE KELAR TG1 (DIÉSEL) Figura 5.1: Determinación de Mínimo Técnico - Comportamiento general observado a partir de los registros operacionales. Componente Kelar TG1: Potencia activa, nivel de emisiones NOx, nivel de emisiones SO2. 23 / 25

24 5.2 CICLO COMBINADO KELAR TG2+0,5KELAR TV (DIÉSEL) Figura 5.2: Determinación de Mínimo Técnico - Comportamiento general observado a partir de los registros operacionales. Kelar TG2: Potencia activa, nivel de emisiones NOx, nivel de emisiones SO2. Kelar TV: Potencia activa, temp. vapor etapa alta presión, temp. vapor línea izquierda etapa media presión, temp. vapor línea derecha etapa media presión, temp. vapor etapa baja presión. 24 / 25

25 5.3 CICLO COMBINADO KELAR TG1+KELAR TG2+KELAR TV (DIÉSEL) Figura 5.3: Determinación de Mínimo Técnico - Comportamiento general observado a partir de los registros operacionales. Kelar TG1: Potencia activa, nivel de emisiones NOx, nivel de emisiones SO2. Kelar TG2: Potencia activa, nivel de emisiones NOx, nivel de emisiones SO2. Kelar TV: Potencia activa, temp. vapor etapa alta presión, temp. vapor línea izquierda etapa media presión, temp. vapor línea derecha etapa media presión, temp. vapor etapa baja presión. 25 / 25