Cogeneracion en la industria azucarera

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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


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.


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


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


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


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


Agenda

1. Introducción


• Siemens

2. Definición de los parámetros de vapor y ciclo regenerativo;


4. Conclusión;


Ciclos térmicosCiclo con sistema de precalentamiento (mayor eficiencia)

Caldera

Desaireador

Precalentador

Precalentador

Condensador

Turbogenerador

Bomba de condensado

Bomba AA


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.


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+ 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


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)


Condiciones de vapor para el proyecto

• Tipo de caldera: caldera de fuerza, de recuperación de calor (1P, 2P o 3P), etc.;


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


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


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.


Agenda

1. Introducción


• Siemens

2. Definición de los parámetros de vapor y ciclo regenerativo

3. Definición de configuración del proyecto con turbinas de vapor

4. Conclusión


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)


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


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


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


Diseño de Instalación - TG


Agenda

1. Introducción


• Siemens

2. Definición de los parámetros de vapor y ciclo regenerativo;


4. Conclusión


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 !!!


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

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