Sección 5. Cogeneración de energía térmica y eléctrica

(1)

Sección 5

Cogeneración de energía térmica y

eléctrica

Nociones fundamentales relativas a las turbinas

Turbinas de contrapresión

Modelado de turbinas de contrapresión en el SSAT

Ejercicios prácticos

Turbinas de condensación

(2)

Sistema de vapor

Caldera número 1 Carbón Purga Electricidad comprada Purga Purga Agua de reposición Venteo Caldera número 2 Fuel oil pesado (HFO)

Caldera número 3 Gas metano Demanda eléctrica del sitio Demanda de vapor de AP del proceso

(3)

101 Turbinas

 ¿Qué es una turbina?

• Dispositivo de conversión de energía

Energía potencial / cinética / de presión / térmica

(4)

Usuarios de turbinas de vapor en la industria

 Usuarios intensivos de turbinas de vapor:

• Petroquímicas

• Refinerías de petróleo

• Productos forestales (pulpa y papel)

• Goma • Farmacéuticas • Montaje de fabricación  Usuarios medianos y pequeños de turbinas de vapor • Alimentación y bebidas • Plásticos • Electrónica • Fabricación de metales

(5)

 Aplicaciones habituales de las turbinas de vapor en la industria

• Generación directa de energía eléctrica

• Bombas de agua de alimentación de

calderas

• Bombas de agua de torres de

enfriamiento

• Bombas de agua enfriada

• Ventiladores de tiro forzado de calderas

• Extractores de aire

• Compresores de aire

• Máquinas de refrigeración

• Sistemas de enfriadores

(6)

 Turbinas de vapor

• Muchos tipos diferentes • de contrapresión

• de condensación • de extracción • Combinación

• Diferentes tamaños y rangos de eficiencia

• Las turbinas de contrapresión se usan en lugar de las estaciones del descarga y en paralelo con ellas

• Las turbinas de condensación son las que brindan mayor

(7)

Turbinas de vapor de contrapresión

 Las turbinas de vapor de contrapresión descargan vapor a una presión mayor (o igual) a la atmosférica

Turbina de contrapresión multietapa

Válvula manual Válvula de cierre

Válvula de parada de emergencia de sobrevelocidad

(8)

Turbinas de vapor de contrapresión

 Muy comunes  La forma más sencilla  Funcionan a contrapresión  El escape va a la carga de un proceso o a un cabezal de presión  Excelentes para aplicaciones industriales Válvula manual Válvula de cierre Válvula de parada de emergencia de sobrevelocidad

(9)

Turbinas de vapor de extracción

Turbinas de extracción

 Muy comunes en las plantas que poseen múltiples

cabezales de vapor

 Funcionan a contrapresión  El escape va a la carga de

un proceso, a un cabezal de presión o a un condensador  Excelentes para balancear

los cabezales y para eliminar el venteo de vapor

(10)

Turbinas de vapor de condensación

Turbina de condensación

 Ideal para generar energía, por su confiabilidad y su robustez

 Siempre vienen con un condensador de vapor  El escape va al vacío  La mayor relación de

presión operativa

 Multietapas o también con dos o tres secciones

(11)

Funcionamiento habitual de las turbinas de vapor industriales

 Presiones operativas

• Mínimo - 10 bares (para contrapresión)

• Máximo - 100 bares

• ¡En el escape puede haber vacío!

 Temperaturas operativas del vapor

• Saturado o con unos grados de sobrecalentamiento

• Máximo - 200 °C sobrecalentamiento

 Resumen: la tecnología de las turbinas de vapor es muy diversa y opera con un rango muy amplio de presiones y temperaturas

(12)

Primera ley: eficiencia de la turbina

 Las turbinas de vapor operan con "pérdidas" muy pequeñas

• Fricción de los cojinetes

• Transferencia de calor

 El estudio del balance de energía de las turbinas de vapor revela que tienen una eficiencia excepcionalmente alta

• Prácticamente, toda la energía que se saca del vapor se convierte en energía del eje

(

−

)

≈

100 %

=

h

m

W

e i steam shaft law first



η

(13)

La turbina perfecto

 Las turbinas de vapor se evalúan según la segunda ley de la

termodinámica

• La segunda ley de la termodinámica identifica la

energía térmica que no se puede convertir en energía eléctrica

• Toda la energía eléctrica se puede convertir en

energía térmica

• Esto define la cantidad máxima de potencia del eje que podría producirse (según las leyes de la física)

• Así se define la turbina perfecta, que funcionaría de manera isentrópica

– La isentropía es entropía constante (sin

pérdidas)

(14)

Eficiencia isentrópica

 La eficiencia de las turbinas de vapor se describe como eficiencia isentrópica

• Es la comparación del trabajo real producido en comparación

con el de la turbina perfecta (isentrópica)

(

)

(

_h

)

(

_h

h

_h

h

)

m

h

m

W

e i actual exit inlet steam actual isentropic isentropic actual

isentropic

_Trabajo

_isentropic

_o

real

Trabajo

−

=



η

(15)

 La eficiencia de las turbinas de vapor no es "como" la eficiencia de las calderas

• La eficiencia isentrópica de la turbina es la comparación del funcionamiento de la turbina real con el de una turbina que funciona con las mismas condiciones de entrada y salida de presión

• La eficiencia isentrópica describe cuanta energía mecánica se produce a partir la energía térmica

 El vapor que sale de la turbina contiene una cantidad significativa de energía térmica útil

(16)

(17)

(18)

Diagrama Mollier - Eficiencia de la turbina isentrópica

100%

65%

(19)

Eficiencia típica de las turbinas de vapor

 Elementos que contribuyen más con la eficiencia isentrópica

• Diseño de la turbina

• Tipo de válvula de control • Válvula reguladora única

• Varias válvulas - toberas de flujo

 Se necesita esta información para TODOS los análisis de las turbinas

(

)

(

)

20 %

a

80 %

h

out in _isentropic out in _actual isentropic

=

−

=

−

η

(20)

Eficiencia de la turbina de vapor

 Por lo general, las turbinas de una sola tienen una eficiencia isentrópica menor que las multietapas

• Si se aumenta la superficie de paso del vapor (diámetro), disminuyen las pérdidas

• La velocidad de escape del vapor y la fricción de las paredes disminuye

• Las turbinas de una sola etapa suelen ser más eficientes que las multietapa para máquinas de poca capacidad

(21)

 Hay tres métodos para averiguar la eficiencia isentrópica de una turbina:

• Las especificaciones del fabricante

• Mapas de la turbina / curvas de rendimiento

• Excelente punto de partida - también para nuevos diseños

• Se sabe cuáles son las condiciones de entrada y salida

• Lo más usado -y lo más fácil de usar- es la entrada de sobrecalentado con la salida de sobrecalentado

• NO funciona con salidas saturadas (calidad < 1)

• Se sabe cuáles son las condiciones de entrada de vapor y de generación de energía

• Por lo general, se usa para las unidades de generación de energía eléctrica

• Se necesita saber la tasa de flujo de masa

• Para los equipos de accionamiento mecánico directo puede haber otras opciones alternativas, pero con un grado mayor de incertidumbre

(22)

Eficiencia de la turbina a partir de las

condiciones de entrada y salida de vapor

 Método 2

 Rendimiento de la turbina se puede determinar a partir de

entrada y salida de vapor y el vapor las propiedades

(23)

Eficiencia de la turbina de vapor

 Para condiciones de vapor sobrecalentado en la entrada y salida de la turbina

• Las mediciones de presión y temperatura del vapor sobrecalentado

nos permiten saber todas las propiedades termodinámicas

P y T de la salida de sobrecalentado P y T de la entrada de sobrecalentado

(24)

Condiciones de funcionamiento reales

1.000 kW 25 bar 375 ºC 21 Tph h = 3.180.9 kJ/kg s = 6,909 kJ/kg-K 2 bares 271 ºC 21 Tph h = 3.009,8 kJ/kg s = 7,594 kJ/kg-K

(

_h

_i

_h

_e

)

(

)

m

W

shaft steam steam ₃_.₆₀₀ 3.180,9 3.009,8

000 . 21 ₋ = =

_

−



(25)

Condiciones isentrópicas

2.850 kW 25 bares 375 ºC 21 Tph h = 3.180.9 kJ/kg s = 6,909 kJ/kg-K 2 bares 271 ºC 21 Tph h = 3.009,8 kJ/kg s = 7,594 kJ/kg-K 2 bares s = 6,909 kJ/kg-K 21 Tph h_isentropic = 2.692.0 kJ/kg T_isentropic= 133,7 ºC Calidad = 0,985

(

)

(

)

hp hp kW kW e i

W

h

m

W

shaft steam steam

825 . 3 1 850 . 2 850 . 2 0 , 692 . 2 9 , 180 . 3 600 , 3 000 . 21 =     = = − = =

−



(26)

2.850 kW 25 bares 375 ºC 21 Tph h = 3.180.9 kJ/kg s = 6,909 kJ/kg-K 2 bares 271 ºC 21 Tph h = 3.009,8 kJ/kg s = 7,594 kJ/kg-K 2 bares s = 6,909 kJ/kg-K 21 Tph h_isentropic = 2.692.0 kJ/kg T_isentropic= 133,7 ºC Calidad = 0,985

Condiciones isentrópicas

(

)

(27)

Eficiencia de la turbina a partir de las condiciones

del vapor y de la producción de energía

 Método 3

 El rendimiento de la turbina se puede determinar a partir

de las propiedades del vapor de entrada y de la

(28)

Eficiencia de la generación de la turbina de vapor

 Las turbinas de vapor que tienen un generador de electricidad nos ofrecen la posibilidad de calcular la eficiencia isentrópica de la turbina a través de un mecanismo adicional

• Para determinar la eficiencia necesitamos mediciones adicionales

• En general, es el único método práctico para evaluar la eficiencia de las turbinas de condensación

P y T de entrada

Flujo de vapor

(29)

Energía exportada medida = 950 kW Eficiencia en la generación: 95 % 25 bares 375 ºC 21 Tph h = 3.180.9 kJ/kg s = 6,909 kJ/kg-K 2 bares 2 bares _{s = 6,909 kJ/kg-K} 21 Tph h_isentropic = 2.692.0 kJ/kg T_isentropic= 133,7 ºC Calidad = 0,985

(30)

Eficiencia de la turbina de vapor

kW

turbina

la

de

eje

del

Trabajo

generador

del

Trabajo

kW

W

turbine turbine turbine generator generator generator

000 .

1

95 ,

0

950

950 =

=



η

(

h

)

m

W

e i isen st gen gen generator _isen generator

isentropic _Trabajo _isentropic_o

real turbina la de Trabajo

−

= = =



η

(31)

Energía exportada medida = 950 kW Eficiencia en la generación: 95% 25 bares 375°C 21 Tph h = 3.180.9 kJ/kg s = 6,909 kJ/kg-K 2 bares 2 bares s = 6,909 kJ/kg-K 21 Tph h_isentropic = 2.692.0 kJ/kg T_isentropic= 133,7°C Calidad = 0,985

Eficiencia de la turbina de vapor

(

)

0 ,

35

0 ,

692 .

2

9 ,

180 .

3

1

000 .

21

600 .

3

95 ,

0

950 =

−

=

kJ kJ kg hr s isentropic

kW

η

(32)

Tasa de vapor

 La tasa de vapor es una expresión que sirve para describir la cantidad de vapor que se necesita para producir una cantidad determinada de potencia

• La tasa de vapor teórica en la tasa de vapor ideal

• La tasa de vapor real es la tasa de vapor de la realidad

(

)

(

)

ASR real vapor de Tasa TSR teorica vapor de Tasa actual steam isen isentropic steam

h

W

m

h

W

m

− = = = − = = = 2 1 2 1 1 1



(33)

Factores de la tasa de vapor

 Si se modifican las condiciones de la entrada y salida de la turbina, el impacto en la eficiencia isentrópica no será significativo

• Si las condiciones cambian, la tasa de vapor cambiará drásticamente

 La regulación de la entrada de la turbina de vapor tendrá un impacto en la eficiencia isentrópica global (desde la entrada de la válvula

hasta la salida de la turbina)

• No habrá cambios significativos en la eficiencia isentrópica de la turbina (desde la entrada hasta la salida de la turbina)

(34)

(35)

(36)

Aplicaciones de la turbina de vapor del SSAT

 En las evaluaciones de los proyectos del SSAT, la demanda eléctrica total

del sitio se mantiene constante

 La energía eléctrica producida por las turbinas reduce la importación de

energía eléctrica

 El SSAT tiene un máximo de tan solo cuatro turbinas

• AP - BP

• AP - MP

• MP - BP

• AP - de condensación

• Hay que modelar la turbina de mayor impacto

 La sección Site Details nos permite incorporar el rendimiento real al análisis

• Eficiencia de la turbina

(37)

(38)

Turbinas de vapor del SSAT

Steam Turbines

Do you have a steam turbine installed between HP and LP? Do you have a steam turbine installed between HP and MP? Do you have a steam turbine installed between MP and LP? Do you have an HP to condensing turbine installed?

Yes No No No

 Las turbinas de vapor se configuran en la sección "Quick start"

• Use el menú desplegable, introduciendo "Yes" si la turbina correspondiente existe

 En la sección "Site Details" encontramos información adicional sobre las turbinas y sus mecanismos de control

 NOTA: No es necesario que la turbina estén ENCENDIDA para incluirla en el sistema

(39)

Turbinas de vapor del SSAT

 Hay que configurar la eficiencia y las opciones de control de todas las turbinas que se incluya en el sistema

HP to LP Steam Turbine(s) Notes/Warnings

→ Isentropic efficiency 35 % ←

Note: If multiple turbines are installed, the operation of the impact turbine (the turbine affected by changes to the system) should be modeled Note: A generator electrical efficiency of 100% is assumed by the model

→ Select the appropriate turbine operating mode _←

Note: If Option 1 is chosen, the model will preferentially use the HP to LP turbine to balance the LP demand

→ Option 2 - How should the fixed turbine operation be defined? ←

Option 2 - Fixed steam flow 50 t/h

→ Option 2 - Fixed power generation 1000 kW ←

Option 3 - How do you wish to define the operating range?

Option 3 - Minimum steam flow 25 t/h

Option 3 - Maximum steam flow 75 t/h

Option 3 - Minimum power generation 1500 kW

Option 3 - Maximum power generation 2500 kW

Input Data

Option 2 - Fixed operation

Specify fixed power generation

(40)

Turbinas de vapor del SSAT

 Se necesita saber la eficiencia isentrópica de todas las turbinas de vapor que se incluyen en el sistema

• Datos del fabricante

• Calculadas a partir de las condiciones de entrada y salida del vapor en los casos de sobrecalentado

• Calculada a partir de energía eléctrica generada y de la presión del vapor de entrada y salida

• En los cálculos hay que incluir la eficiencia del generador

HP to LP Steam Turbine(s) Notes/Warnings

Note: If multiple turbines are installed, the operation of the impact turbine (the turbine affected by changes to the system) should be modeled Note: A generator electrical efficiency of 100% is assumed by the model

Input Data

(41)

Turbinas de vapor del SSAT

 Hay cuatro opciones diferentes opciones para configurar el funcionamiento de una turbina

• El flujo de vapor de la turbina balancea la demanda del cabezal de "salida"

• Esta es además la opción predeterminada

• La configuración de la turbina es la operación fija • El flujo de vapor es fijo

• La generación de energía eléctrica es fija

• La configuración de la turbina establece los límites mínimo y máximo • Flujo de vapor

• Generación de energía

→ Select the appropriate turbine operating mode _←

Note: If Option 1 is chosen, the model will preferentially use the HP to LP turbine to balance the LP demand

→ Option 2 - How should the fixed turbine operation be defined? ←

Option 2 - Fixed operation

Specify fixed power generation

(42)

Control del balance de vapor

 Hay que lograr que el modelo del SSAT describa con precisión el

impacto sobre el sistema de los cambios en la demanda (o en las

condiciones operativas)

• Hay que establecer cuál es el componente de mayor impacto

Demanda de vapor de presión reducida

(43)

Control de la turbina del balance de vapor

 La turbina balancea los cabezales de presión reducida

• La capacidad de la turbina es ilimitada

• Cualquier cambio en la demanda de vapor de baja presión se

traducirá en un cambio en el flujo de vapor a través de la turbina

(44)

Turbina fija - Control de balance de vapor con PRV

 Las condiciones de funcionamiento de la turbina son fijas

• El flujo de vapor a través de la turbina no varía

• Cualquier cambio en la demanda de de vapor de baja presión se traducirá en un cambio en el flujo de vapor a través de la válvula de

(45)

Control del balance de vapor máximo-mínimo

 Se puede forzar la turbina de vapor para que opere con un flujo de vapor mínimo y máximo

• Si la turbina alcanza su capacidad límite, la válvula de alivio de presión suministra vapor adicional

• Así se obtiene una limitación realista basada en la capacidad de la turbina

(46)

 Una turbina puede estar “encendida” en el input model y “apagada” en el projects model

• Puede ser que la turbina esté apagada en input model y

encendida en el projects model

Suministro de vapor de alta presión

(47)

 Abra el modelo de sistema de tres cabezales y configure una turbina de AP-BP de la siguiente manera:

• La turbina balancea el sistema

• Eficiencia isentrópica de la turbina = 35 %

 Modele el impacto económico proveniente de ahorrar 1 Tph de vapor AP y 1 Tph

Ejemplo del impacto de la turbina

Vapor a baja presión: 2 bares

Vapor a alta presión: 25 bares y 375 ºC

Caldera de mayor efecto: Gas metano ($ 1,0/Nm3₎

Eficiencia de la caldera 80%

Costo del impacto eléctrico: 0,10 $/kWh

(48)

(49)

Resultados del ejemplo del impacto de la turbina

000 .

775 $

49 ,

88

760 .

8

0 ,

1

750 .

816 $

24 ,

93

760 .

8

0 ,

1

_ 1 _ 1

=

×

=

×

=

ostos

AhorrosdeC

ostos

AhorrosdeC

LP Tph HP Tph

(50)

• La válvula de alivio de presión de ;P a BP tiene un flujo de ~10 Tph

Ejemplo del impacto de la turbina

Caldera de mayor efecto: Gas metano ($ 1.0/Nm3₎

(51)

(52)

Resultados del ejemplo del impacto de la turbina

300 .

769 $

82 ,

87

760 .

8

0 ,

1

700 .

815 $

12 ,

93

760 .

8

0 ,

1

_ 1 _ 1

=

×

=

×

=

ostos

AhorrosdeC

ostos

AhorrosdeC

LP Tph HP Tph

(53)

• El flujo de la turbina de vapor es de ~21,0 Tph

• Eficiencia isentrópica de la turbina = 35 %

 Modele el impacto económico proveniente de ahorrar 1 Tph de vapor AP y 1 Tph

Ejemplo del impacto de la turbina

Caldera de mayor efecto: Gas metano ($ 1.0/Nm3₎

(54)

(55)

Resultados del ejemplo del impacto de la turbina

900 .

803 $

77 ,

91

760 .

8

0 ,

1

000 .

816 $

16 ,

93

760 .

8

0 ,

1

_ 1 _ 1

=

×

=

×

=

ostos

AhorrosdeC

ostos

AhorrosdeC

LP Tph HP Tph

900 .

803 $

77 ,

91

760 .

8

0 ,

1

000 .

816 $

16 ,

93

760 .

8

0 ,

1

_ 1 _ 1

=

×

=

×

=

ostos

AhorrosdeC

ostos

AhorrosdeC

LP Tph HP Tph

(56)

Consideraciones económicas relacionadas con

las turbinas de contrapresión

 La mayoría de los sistemas industriales requieren energía térmica (no flujo de masa de vapor)

 La turbina saca energía del vapor y la convierte en energía del eje

• El vapor sale de la turbina con una temperatura reducida

 El resultado es que aumenta el flujo de masa de vapor necesario para satisfacer la demanda térmica

(57)

Turbinas de vapor de condensación

 A menudo, las turbinas de vapor de condensación funcionan descargando vapor saturado

• En general, la eficiencia isentropía está determinada por:

• Salida del generador, condiciones del vapor y flujo del vapor • Estimada a partir de los datos del fabricante

(58)

Turbinas de vapor de condensación

 El efecto de la presión de descarga sobre la

producción de energía eléctrica es significativo

• Las unidades del SSAT son:

• bara • barg

• Pulgadas de mercurio absolutas • Pulgadas de mercurio en el vacío

 Las turbinas de condensación se usan para:

• Generación de grandes cantidades de

energía eléctrica

(59)

Turbinas de condensación en el SSAT

 Las turbina de vapor de condensación se configuran en la sección "Quick Start"

• Use el menú desplegable, introduciendo "Yes" si la turbina de condensación correspondiente existe

• Se necesita información sobre el mecanismo de control

 En la seccion "Site Detail" hay información adicional

Steam Turbines

For a Condensing Turbine, please define how the turbine operates and then provide supplementary information below:

→ Mode of operation ←

Yes No No Yes

(60)

Turbinas de condensación en el SSAT

 Las turbinas de condensación tienen dos modos de funcionamiento

• Generación de energía eléctrica fija

• La mayoría de las operaciones para accionar equipo de los procesos tiene esta configuración

Steam Turbines

For a Condensing Turbine, please define how the turbine operates and then provide supplementary information below:

→ Mode of operation ←

Yes No No Yes

(61)

Turbinas de condensación en el SSAT

 Se necesita saber la eficiencia isentrópica de la turbina de condensación

• Datos del fabricante

• Calculada partir de la entrada de vapor, del flujo y de la energía eléctrica generada

 Presión de la salida (descarga) de la turbinas de condensación

• Puede estar en cualquiera de las cuatro unidades

• Equivale a la presión del condensador de superficie

HP to Condensing Steam Turbine(s) Notes/Warnings

Note: If multiple turbines are installed, their data should be combined to allow them to be modeled as a single turbine Note: A generator electrical efficiency of 100% is assumed by the model

→ Select the units of measure to specify the condenser pressure ←

→ Condenser pressure (bara) 0.15 ←

Input Data

Configure the operation of your HP to Condensing turbine(s) using the options below:

(62)

 Abra el modelo de sistema de tres cabezales y configure una turbina de condensación de la siguiente manera:

• Generación de energía fija = 950 kW

Ejemplo del impacto de la turbina de condensación

Presión del escape: 0,15 bara

Caldera de mayor efecto: gas metano: $ 1,0/Nm3

Eficiencia de la caldera 80 %

(63)

(64)

(65)

Modelo del sistema de ejemplo

 Todos los "Inputs" del modelo están completos  Modelo de tres cabezales

• Representa muy bien los flujos de vapor y el balance de vapor en los cabezales del funcionamiento real

• Es un modelo preciso del costo de vapor de mayor impacto

(marginal) del sistema

• NO representa los costos totales de los suministros, las emisiones, etcétera

• N. B.: Para el modelo se usa el combustible de mayor impacto

• Está listo para usar de modo que refleje con precisión el impacto económico de los ahorros de energía y de las oportunidades de optimización sobre el sistema de vapor