Eficiencia en la cogeneración de energía a partir de la

EXPOINDUSTRIAL 2015
Cali
Tecnología y Soluciones para mejorar
la Eficiencia en Generación de Energía
Ciclo de Vapor con Ciclo Regenerativo
Mayo de 2015
UNIDADES DE NEGÓGIO
SERTÃOZINHO/SP
PARQUE INDUSTRIAL
Servicios en
Turbinas
Fábrica de
Turbinas
Fábrica de
Reductores
Servicios en Reductores
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
NIVELES DE OPERACIÓN EN TURBINAS
Niveles de Operación
Ahorro de Energía con el incremento de la Presión y
Temperatura del vapor - Turbinas de Contrapresión
140kgf/cm2 – 540 C
100 kgf/cm2 – 530 C 40 kJ/kg
81
65
kgf/cm2
kgf/cm2
– 510 C
– 485 C
42 kJ/kg
84 kJ/kg
116 kJ/kg
42kgf/cm2 – 420 C
168 kJ/kg
21kgf/cm2 – 300 C
330 kJ/kg
6,743 kJ/kg ºC
1,5 kgf/cm²
~
127 C
Niveles de Operaciones
Consumo Específico – Turbina Contrapresión
13
12
11.5
11
11
10
Kg vapor/kWh
9
8
7.5
7.2
7
Ação
5.85
6
Reação
5.65
5
5.25
4.95
4.67
4
3
2
1
0
21/300
42/420
65/485
81/510
100/530
140/540
Níveles de Operación
Ahorro de Energía con el aumento de la Presión y
Temperatura del vapor – Turbinas de Condensación
140kgf/cm2 – 540 C
100 kgf/cm2 – 530 C 30 kJ/kg
81
65
kgf/cm2
kgf/cm2
– 510 C
– 485 C
39 kJ/kg
82 kJ/kg
130 kJ/kg
42kgf/cm2 – 420 C
170 kJ/kg
21kgf/cm2 – 300 C
705 kJ/kg
6,743 kJ/kg ºC
0,10 bar(a)
~
45,8 C
Niveles de Operaciones
Consumo Específico - Turbina de Condensación
7
6.5
6
5.9
Kg vapor/kWh
5
4.3
4
3.8
4
Ação
3.67
3.45
3.34
3
Reação
3.25
2
1
0
21/300
42/420
65/485
81/510
100/530
140/540
Ciclo de Vapor - Rankine
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.
Ingenio Convencional –Ciclo Rankine
CICLO DE VAPOR - RANKINE
CON CICLO REGENERATIVO
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.
Ciclo Regenerativo
Ciclo Regenerativo
Ciclo Regenerativo
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.
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.
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.
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%
Ciclo Regenerativo
Ganancia de Energía con el Aumento de la Temperatura
Aumento de
del Agua de alimentación de Calderas.
la Generación
Considerando una Caldera 68 kgf/cm² - 520°C
del vapor
Água de Alimentación
Vapor Sobrecalentado
3.460,5 kJ/kg
945,6 kJ/kg
90 kgf/cm2 – 220 C
2.514,9 kJ/kg
855,5 kJ/kg
90 kgf/cm2 – 200 C
2.604,5 kJ/kg
3.460,5 kJ/kg
68 kgf/cm2 – 520 C
2.693,3 kJ/kg
3.460,5 kJ/kg
68 kgf/cm2 – 520 C
767,2 kJ/kg
90 kgf/cm2 – 180 C
680,4 kJ/kg
90 kgf/cm2 – 160 C
594,7 kJ/kg
90 kgf/cm2 – 140 C
446,7 kJ/kg
90 kgf/cm2 – 105 C
2.780,1 kJ/kg
2.865,8 kJ/kg
3.013,8 kJ/kg
Salto Entalpico
68 kgf/cm2 – 520 C
3.460,5 kJ/kg
15,7 %
3,4 %
3,2 %
3,1 %
68 kgf/cm2 – 520 C
3.460,5 kJ/kg
68 kgf/cm2 – 520 C
3.460,5 kJ/kg
68 kgf/cm2 – 520 C
3,0 %
2,1 %
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:
po= 120 Bar(a), to = 535oC e pcond = 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.
0
100
200
300
400
°C
Equipos - Caldera
Ciclo Rankine
160°C - Temperatura gases
de salida
Ciclo Rankine Regenerativo
160°C - Temperatura gases
de salida
Vapor 21 Kgf/cm² / Temp. 373 °C
195°C
Temperatura água de
115°C alimentación
Economizador
Temperatura água de
alimentación
Economizador
Água 21 Kgf/cm² / Temp. 373 °C
115°C
Vapor 1,5 Kgf/cm² / Temp.127 °C
Temperatura del aire em la
30°C entrada del Pré-Aire
105°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%
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.
Ciclo Rankine Regenerativo
Consumo de Combustible
250 th - 68 kgf/cm² - 520°C
Relación Temperatura del Água de Alimentación y del Aire
114.0
Consumo de Bagazo - t/h
112.0
112.1
110.1
110.0
108.2
108.0
106.4
106.0
104.2
104.0
Consumo de Bagaço (t/h)
102.5
102.0
101.2
100.4
100.0
98.0
96.0
94.0
115/30
145/60
160/75
165/85
170/95
180/100
185/104
195/105
Temperatura de Agua de Alimentación / Aire
Ciclo Rankine Regenerativo
Producción de Vapor
112,1 ton/h de bagazo - 68 kgf/cm² - 520°C
Relación Temperatura de Agua de Alimentación y del Aire
285.0
279.1
280.0
276.9
273.5
Caudal del Vapor - t/h
275.0
269.0
270.0
263.4
265.0
259.0
260.0
250.0
Vazão de vapor (t/h)
254.5
255.0
250.0
245.0
240.0
235.0
115/30
145/60
160/75
165/85
170/95
180/100
185/104
Temperatura de Agua de Alimentación / Aire
195/105
Ciclo Rankine Regenerativo
Relación de Vapor / Combustible
Considerando una Caldera 68 kgf/cm² - 520°C
Relación Temperatura de Agua y Aire
Relación del Vapor/Combustible (kgv/kgb)
3,00
2,95
2,90
2,85
2,80
2,75
2,70
2,65
2,60
2,55
2,50
2,45
2,44
2,49
2,40
2,40
2,35
2,30
2,25
2,47
2,35
2,31
2,27
2,23
2,20
2,15
2,10
2,05
2,00
115/30 145/60 160/75 165/85 170/95 180/100 185/104 195/105
Temperratura del Água de Alimentación / Aire
Relação vapor/comb.(kgv/kgb)
Cálculo de Consumo de Combustible
Cálculo de Consumo de Combustible

CC =
Flujo de vapor x (Entalpiavs – Entalpiaea)
PCI x Eficiencia de la Caldera

Siendo:

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.
PCI = Poder Calorífico de los
Combustibles (kcal /kg)

Algodón: 3.300

Bagazo de caña: 1.800 (50% umidade)

Bambú: 3.800

Carbón mineral: 7.500

Carbón vegetal: 3.830

Cáscara de algodón: 3.000

Cáscara de maní: 3.000

Cáscara de café: 3.000

Gas natural: 9.400 kcal/m³

Cáscara de arroz: 2.900

Cáscara de cacau: 3.000

Cáscara de coco: 5.000

Madera húmeda: 2.900

Madeira em lascas: 3.300

Papel: 4.000

Polietileno: 10.000

Óleo 4A: 9.700
EJEMPLO
Para generar 250 ton.vapor.hora
en 65 bar(a) / 520°C
con bagazo de caña
CC = 250.000 kg/h x (826,5 kcal/kg– 183,24 Kcal/kg)
1800 kcal/kg x 0,87
CC = 102.697 kg/h de bagazo de caña.
EQUIPOS Y SISTEMAS AUXILIARES
DEL CICLO A VAPOR
Condensadores
Intercambiador de calor utilizado para la conversión
del vapor de escape de la turbina al estado líquido
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.
Desaieradores
Desaireadores: Remoción de los gases disueltos en el água (O2 e CO2).
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.
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.
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
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.
Equipos - Turbina
Ciclo Rankine Regenerativo
Ciclo Rankine
Caudal de
Vapor
161,0 t/h
Temperatura
água de
alimentación
Economizador
115°C
Generación
de Energia
46 MWh
Caudal de
Vapor
170,0 t/h
Temperatura
água de
alimentación
Economizador
160°C
Generación
de Energia
46,0 MWh
Ingenio Convencional – Ciclo Rankine
160°C
Temperatura gases de
salida
Bagazo
72,7 t/h
115°C
Temperatura água de
alimentación
30°C
Temperatura del aire
en la entrada del PréAire
Caudal de
Vapor
162,0 t/h
Generación
de Energia
46 MWh
Ingenio Eficiente –Ciclo Rankine Regenerativo
160°C
Temperatura gases de
salida
Caudal de
Vapor
173,0 t/h
Temperatura água de
alimentación Economizador
195°C
Bagazo
69,5 t/h
105°C
127°C
90°C
Temperatura del aire
en la entrada do PréAire
30°C
Generación
de Energia
46 MWh
Ciclo Rankine
Convencional
Temperatura del água
de alimentación
Eficiencia de la Caldera Consumo de Combustible
115°C
2,23 kgv/kgb
72,6 tb/h
Generación de energia eléctrica
46,0 MWh
Temperatura del água de
alimentación
la Caldera
Caldera
Eficiencia de
de la
Ciclo Rankine Convencional
Consumo de Combustible
2,23 115°C
kgv/kgb
72,6 tb/h
Regenerativo
Temperatura del água
de alimentación
195°C
Eficiencia de la Caldera
2,49 kgv/kgb
Consumo de Combustible
69,5 tb/h
Generación de energia eléctrica
46,0 MWh
Temperatura del água de
Ahorro
deCaldera
Combustible
alimentación
de la
Eficiencia
Ciclo Rankine Regenerativo
Consumo de Combustible
4,5 %
*
2,49 195°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
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.
Estudios de
Balance
Térmico
Ingeniería
de
Aplicación
Turbinas para
Turbinas para
Generación de AccionamientosMecáni
cos
Energía
Ingeniería
operacional
Mantenimiento
planificado
Automatización
Y
Control
Reductores
Planetarios
Reductores
de
Ejes paralelos
Servicios
de
Campo
Muchas Gracias!
Jay Mil-Homens
Gerente Regional de Ventas
+ 55 16 2105 2643
[email protected]