EXPOINDUSTRIAL 2015 Cali Tecnología y Soluciones para mejorar la Eficiencia en Generación de Energía. Ciclo de Vapor con Ciclo Regenerativo

Transcripción

1 EXPOINDUSTRIAL 2015 Cali Tecnología y Soluciones para mejorar la Eficiencia en Generación de Energía Ciclo de Vapor con Ciclo Regenerativo Mayo de 2015

2 UNIDADES DE NEGÓGIO SERTÃOZINHO/SP PARQUE INDUSTRIAL Servicios en Turbinas Fábrica de Turbinas Fábrica de Reductores Servicios en Reductores

3 PROGRAMA Histórico, niveles de operaciones de Calderas/Turbinas Ahorro de energía / Consumo Específico Ciclo de Vapor con Ciclo Regenerativo Comparación de Ahorros: Ingenio Convencional X Ingenio Eficiente Ciclo de Vapor con Ciclo Regenerativo Cálculo de Combustible Equipos y Sistemas Auxiliares del Ciclo de Vapor Conclusiones

4 NIVELES DE OPERACIÓN EN TURBINAS

5 Niveles de Operación Ahorro de Energía con el incremento de la Presión y Temperatura del vapor - Turbinas de Contrapresión 140kgf/cm C 100 kgf/cm C 40 kj/kg 81 kgf/cm C 42 kj/kg 65 kgf/cm C 84 kj/kg 116 kj/kg 42kgf/cm C 21kgf/cm C 168 kj/kg 330 kj/kg 6,743 kj/kg ºC 1,5 kgf/cm² ~ 127 C

6 Kg vapor/kwh Niveles de Operaciones 13 Consumo Específico Turbina Contrapresión Ação Reação /300 42/420 65/485 81/ / /540

7 Níveles de Operación Ahorro de Energía con el aumento de la Presión y Temperatura del vapor Turbinas de Condensación 140kgf/cm C 100 kgf/cm C 30 kj/kg 81 kgf/cm C 39 kj/kg 65 kgf/cm C 82 kj/kg 130 kj/kg 42kgf/cm C 21kgf/cm C 170 kj/kg 705 kj/kg 6,743 kj/kg ºC 0,10 bar(a) ~ 45,8 C

8 Kg vapor/kwh Niveles de Operaciones 7 Consumo Específico - Turbina de Condensación Ação Reação /300 42/420 65/485 81/ / /540

9 Ciclo de Vapor - Rankine

10 Ciclo del Vapor - Rankine El ciclo de Rankine describe el funcionamiento de la turbina de vapor que se encuentra comúnmente en las plantas de producción de energía. Hay cuatro fases en un ciclo Rankine: Paso 3-4 Compresión: El fluido se bombea desde una baja presión hasta una alta presión utilisandose una bomba. El bombeo requiere energia. Paso 4-1 Transferência de calor isobárica: El fluido presurizado entra en la caldera, donde se calienta a una presión constante hasta que se convierte en vapor sobrecalentado. Paso 1-2 Expansión: El vapor sobrecalentado se expande a través de una turbina para generar trabajo. Idealmente, esta expansión es isoentrópica. En esta expansión, se reducen tanto la presión y la temperatura. Fase 2-3 Transferencia de calor: El vapor entra entonces en un condensador donde se enfría y cambia para la fase liquida. Este líquido vuelve entonces a la bomba y el ciclo se repite.

11 Ingenio Convencional Ciclo Rankine

12 CICLO DE VAPOR - RANKINE CON CICLO REGENERATIVO

13 Ciclo Rankine Regenerativo Se caracteriza por el precalentamiento del condensado antes de entrar en la caldera. El ciclo Rankine regenerativo se denomina de esta manera pués, el fluido (água) será recalentado por el vapor de la sangria de la turbina, después de salir del condensador hasta la entrada en la caldera. Esto incrementa la temperatura media del fluido circulante (agua), lo que aumenta la eficiencia termodinámica del ciclo. Su principal efecto puede explicarse con base en la reducción del flujo de vapor que alcanza el condensador, y por la reducción de las pérdidas correspondientes en la fuente fría (torres de enfriamiento), o por el aumento de la temperatura media del agua de retorno a la caldera.

14 Ciclo Regenerativo

15 Ciclo Regenerativo

16 Ciclo Regenerativo

17 Ciclo Regenerativo Por qué utilizarlo? En virtud de la segunda ley de la termodinámica, parte del calor absorbido para la producción de trabajo útil se perde. En los ciclos de generación de energia, parte de esta perdida se dá en las torres de enfriamiento. Esta energía no regresa al ciclo, por lo que es una pérdida irreversible. Normalmente estas plantas consumen combustibles fósiles (gas natural, fuel oil, carbón) que tienen costo significativo. En los Ingenios Azucareros, durante la zafra, se usa el retorno del condensado de vapor del proceso (90-95 C) como agua de alimentación de la Caldera. En el período de no safra estas fuentes de calor no están disponibles. Así que para aumentar la eficiencia del ciclo se utiliza ciclo regenerativo ampliamente utilizado en grandes plantas termeléctricas.

18 Ciclo Regenerativo Por qué utilizarlo? En general las calderas están dimensionadas para recibir agua de alimentación con temperatura alrededor de 110 C / 120 C, sin embargo, en ciclo de condensación la temperatura del condensado es alrededor de 45 a 50 C El Ciclo Regenerativo permite que el calientamento del condensado sea durante su retorno a la caldera. Cuánto más estaciones precalentadoras mayor será la temperatura del condensado. El calentamiento se dá a partir de tomas (sangrias) no controladas en diferentes etapas de la turbina. Normalmente son 3 o 4 tomas para precalentadores y el desaireador. El balance de energía debe hacerse en conjunto con el fabricante de la caldera.

19 Ciclo Rankine Regenerativo El calentamiento regenerativo aumenta considerablemente el rendimiento del ciclo de vapor, por esta razón es utilizado en los proyectos de las plantas termoeléctricas. La decisión sobre la temperatura de calentamiento del agua de alimentación de la caldera se basa en un análisis técnico económico, teniendo en cuenta el aumento de la eficiencia del ciclo y el costo de los calentadores. Para una planta termoeléctrica de cogeneración (con proceso), la temperatura final del agua de alimentación generalmente se establece en el rango desde 160 hasta 180 C. Para grandes termoeléctricas, esta temperatura está arriba de 225 C.

20 Ciclo Regenerativo El número óptimo de tomas de vapor en la turbina es determinado en los balances del ciclo térmico. Esta especificación se realiza en conjunto con el proveedor de la caldera, para asegurar la eficiencia del ciclo. En este aspecto no hay una fórmula estándar, sólo los estudios individuales y específicos que determinarán la mejor solución para la planta Con el ciclo regenativo, la economía de combustible es alrededor de 10 a 15%, para una misma produción de vapor La ganancia en generación de energia eléctrica es de 3 al 7% La eficiencia del ciclo se incrementa desde el 25% al 35%

21 Ganancia de Energía con el Aumento de la Temperatura del Agua de alimentación de Calderas. Considerando una Caldera 68 kgf/cm² C Água de Alimentación 945,6 kj/kg 90 kgf/cm C 855,5 kj/kg 90 kgf/cm C 767,2 kj/kg 90 kgf/cm C 680,4 kj/kg 90 kgf/cm C 594,7 kj/kg 90 kgf/cm C 446,7 kj/kg 90 kgf/cm C 2.514,9 kj/kg 2.604,5 kj/kg 2.693,3 kj/kg 2.780,1 kj/kg 2.865,8 kj/kg 3.013,8 kj/kg Salto Entalpico Ciclo Regenerativo Vapor Sobrecalentado 3.460,5 kj/kg 68 kgf/cm C 3.460,5 kj/kg 68 kgf/cm C 3.460,5 kj/kg 68 kgf/cm C 3.460,5 kj/kg 68 kgf/cm C 3.460,5 kj/kg 68 kgf/cm C 3.460,5 kj/kg 68 kgf/cm C Aumento de la Generación del vapor 3,4 % 3,2 % 3,1 % 3,0 % 2,1 % 15,7 %

22 En la medida que se aumenta el número de tomas (y de precalentadores) en un ciclo de calentamiento regenerativo, se aumenta también la entalpía del agua de alimentación. La máxima característica en la eficiencia para el número de tomas (y precalentadores) puede ser explicado como: el aumento de la temperatura del agua de alimentación se obtiene aumentando el flujo de vapor a través de los puntos de tomas, lo que disminuye simultáneamente el trabajo total realizado por el vapor en la turbina. Los datos correspondientes a una instalación: p o = 120 Bar(a), t o = 535 o C e p cond = 0,10 Bar(a) El número óptimo de precalentadores de agua de alimentación se determina a partir de consideraciones económicas. Se puede añadir un precalentador, pero con un número mayor de precalentadores es posible acercarse a la eficiencia de Carnot, pero con un costo más elevado C

23 Equipos - Caldera Ciclo Rankine Ciclo Rankine Regenerativo 160 C - Temperatura gases de salida 160 C - Temperatura gases de salida Vapor 21 Kgf/cm² / Temp. 373 C 115 C Temperatura água de alimentación Economizador 195 C 115 C Temperatura água de alimentación Economizador Água 21 Kgf/cm² / Temp. 373 C 30 C Temperatura del aire em la entrada del Pré-Aire 105 C Vapor 1,5 Kgf/cm² / Temp.127 C 30 C Temperatura del aire en la entrada del Pré-Aire Água 1,5 Kgf/cm² / Temp. 127 C Eficiencia de la Caldera = 87% Eficiencia de la Caldera = 87%

24 Mismo aumentando la relación vapor/combustible, la Eficiencia de la caldera practicamente no se cambia. Esto se debe a: ȠCaldera = 100 (q2+q3+q4+q5+q6+q7) donde, q2: la pérdida de calor por los gases de escape - cuanto mayor sea la temperatura del gas, mayor es la pérdida, porque se está recuperando menos energía transmitida por los gases. q3: la pérdida de calor por la combustión incompleta química - se considera como cero, ya que normalmente funciona con un exceso de aire en el balanceo estequiométrico en equilibrio, asegurando una combustión completa. q4: La pérdida de calor por la combustión mecánica incompleta - se relaciona con la cantidad de no quemado en la caldera, es decir, la calidad del combustible. q5: La pérdida de calor a través de superficies de radiación y de convección. q6: La pérdida de calor debido a las cenizas - energía transmitida que se gasta para calentar las cenizas. q7: La pérdida de calor a través de la toma de la caldera - está relacionado con la pérdida debida a la purga.

25 Consumo de Bagazo - t/h Ciclo Rankine Regenerativo Consumo de Combustible 250 th - 68 kgf/cm² C Relación Temperatura del Água de Alimentación y del Aire Consumo de Bagaço (t/h) /30 145/60 160/75 165/85 170/95 180/ / /105 Temperatura de Agua de Alimentación / Aire

26 Caudal del Vapor - t/h Ciclo Rankine Regenerativo Producción de Vapor 112,1 ton/h de bagazo - 68 kgf/cm² C Relación Temperatura de Agua de Alimentación y del Aire Vazão de vapor (t/h) /30 145/60 160/75 165/85 170/95 180/ / /105 Temperatura de Agua de Alimentación / Aire

27 Relación del Vapor/Combustible (kgv/kgb) Ciclo Rankine Regenerativo Relación de Vapor / Combustible Considerando una Caldera 68 kgf/cm² C Relación Temperatura de Agua y Aire 3,00 2,95 2,90 2,85 2,80 2,75 2,70 2,65 2,60 2,55 2,50 2,45 2,40 2,35 2,30 2,25 2,20 2,15 2,10 2,05 2,00 2,49 2,47 2,44 2,40 2,35 2,31 2,27 2,23 115/30 145/60 160/75 165/85 170/95 180/ / /105 Temperratura del Água de Alimentación / Aire Relação vapor/comb.(kgv/kgb)

28 Cálculo de Consumo de Combustible

29 Cálculo de Consumo de Combustible CC = Flujo de vapor x (Entalpiavs Entalpiaea) Siendo: PCI x Eficiencia de la Caldera Flujo de vapor deseado; Entalpia del vapor de salida de la caldera (Mollier); Temperatura del água en la entrada de la caldera; PCI=Poder Calorífico Inferior del combustible; Eficiencia de la Caldera.

30 PCI = Poder Calorífico de los Combustibles (kcal /kg) Algodón: Bagazo de caña: (50% umidade) Bambú: Carbón mineral: Carbón vegetal: Cáscara de algodón: Cáscara de maní: Cáscara de café: Cáscara de arroz: Cáscara de cacau: Cáscara de coco: Madera húmeda: Madeira em lascas: Papel: Polietileno: Óleo 4A: Gas natural: kcal/m³

31 EJEMPLO Para generar 250 ton.vapor.hora en 65 bar(a) / 520 C con bagazo de caña CC = kg/h x (826,5 kcal/kg 183,24 Kcal/kg) 1800 kcal/kg x 0,87 CC = kg/h de bagazo de caña.

32 EQUIPOS Y SISTEMAS AUXILIARES DEL CICLO A VAPOR

33 Condensadores Intercambiador de calor utilizado para la conversión del vapor de escape de la turbina al estado líquido

34 Calentadores Regenerativos» Calentador de Mezcla El calentamiento del água se lleva a cabo por contacto directo con el vapor. En estos tipos de calentadores, el agua se calienta a la temperatura de saturación del vapor de agua, y el potencial de vapor se utiliza de manera más eficiente.tiene las ventajas de ser simple, barato y tienen buenas características de transferencia de calor. La desventaja es la necesidad de una bomba después de cada calentador que reduce la comfiabilidad y aumenta el consumo de energía. La presión del água fria y del vapor que sale de la turbina debe ser la misma.» Calentamiento de Superficie - el intercambio de calor ocurre a través de las paredes de los tubos de un intercambiador de calor. En este caso, el agua circula dentro de los tubos y el vapor por fuera (carcasa). Tiene la ventaja de no requerir una bomba en cada calentador, ya que la presión es diferente. La desventaja es la complejidad (red de tubería interna), es más caro y más bajo en rendimiento de transferencia de calor, ya que los dos fluidos no están en contacto.» "Normalmente las plantas utilizan una combinación con Calentadores de mezcla y de Superficie.

35 Desaieradores Desaireadores: Remoción de los gases disueltos en el água (O 2 e CO 2 ). La presencia de estos gases en forma de solución es la causa de la corrosión interna de las áreas de equipos de energía (balón separador de humedad, los tubos de los economizadores). Además de la desaieración también tiene las siguientes funciones: Calentamiento regenerativo del condensado; Crear una reserva de água en el sistema, suficiente para 5 a 20 minutos de operación de la central térmica con carga máxima.

36 Esquema principal de un desaireador. 1- Torre, 2- Tanque de água de alimentación, 3- Bandejas perforadas, 4-Tubería de salida de los gases disueltos en el agua, 5- Válvula de seguridad.

37 Torres de Enfriamiento Elemento característico de los sistemas de refrigeración de agua en ciclo cerrado. Función: bajar la temperatura del agua en circulación, incorporandolo otra vez al circuito de refrigeración del condensador

38 Precalentador Intercambiador de calor para calentar el agua antes de la entrada en la caldera. El vapor extraído de la turbina se condensa en el intercambiador de calor y el líquido regresa al ciclo.

39 Equipos - Turbina Caudal de Vapor 161,0 t/h Ciclo Rankine Generación de Energia 46 MWh Ciclo Rankine Regenerativo Caudal de Vapor 170,0 t/h Generación de Energia 46,0 MWh Temperatura água de alimentación Economizador 115 C Temperatura água de alimentación Economizador 160 C

40 Ingenio Convencional Ciclo Rankine 160 C Temperatura gases de salida Caudal de Vapor 162,0 t/h Generación de Energia 46 MWh Bagazo 72,7 t/h 115 C Temperatura água de alimentación 30 C Temperatura del aire en la entrada del Pré- Aire

41 Ingenio Eficiente Ciclo Rankine Regenerativo 160 C Temperatura gases de salida Temperatura água de alimentación Economizador Caudal de Vapor 173,0 t/h Generación de Energia 46 MWh Bagazo 69,5 t/h 195 C 127 C 105 C 90 C Temperatura del aire en la entrada do Pré- Aire 30 C

42 Temperatura del água de alimentación 115 C Convencional Eficiencia de la Caldera 2,23 kgv/kgb Consumo de Combustible 72,6 tb/h Temperatura del água de alimentación 195 C Ciclo Rankine Regenerativo Eficiencia de la Caldera 2,49 kgv/kgb Consumo de Combustible 69,5 tb/h Generación de energia eléctrica 46,0 MWh Generación de energia eléctrica 46,0 MWh Temperatura del água de alimentación Eficiencia de la Caldera Ciclo Rankine Convencional Consumo de Combustible 2,23115 C kgv/kgb 72,6 tb/h Temperatura del água de alimentación Eficiencia Ahorro de la de Caldera Combustible Ciclo Rankine Regenerativo Consumo de Combustible 4,5 % 2,49195 C kgv/kgb * 69,5 tb/h * La temperatura del agua de alimentación de caldera está limitada por la presión de saturación de operación del balón de la caldera y el valor se establece para cada proyecto buscando la máxima eficiencia del ciclo térmico

43 Conclusiones Hay una búsqueda constante de una mejor eficiencia energética, con el fin de explotar al máximo la energia disponible. No existe una fórmula estándar. Sólo con estudios de cada caso podemos determinar la mejor solución. TGM tiene un equipo para ayudar en los estudios y en el suministro de equipos para la generación de energía eléctrica y la cogeneración.

44 Estudios de Balance Térmico Ingeniería de Aplicación Ingeniería operacional Mantenimiento planificado Automatización Y Control Turbinas para Generación de Energía Turbinas para AccionamientosMecáni cos Reductores Planetarios Reductores de Ejes paralelos Servicios de Campo

45 Muchas Gracias! Jay Mil-Homens Gerente Regional de Ventas jay.milhomens@tgmturbinas.com.br