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

Page 3
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 convencional
Menor eficiencia y mas emisiones

Page 4
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
caldera
Vapor 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
3
9
10
50
65
85
100
200
250
700
Prediseñada
SST-900
SST-800
130+SST-700
SST-600
SST-500
SST-400
SST-300
SST-200
SST-100
SST-050
1.900SST-9000
1.100SST-8000
1.200SST-6000
SST-5000
SST-4000
SST-3000
SST-1000
250
0,45 - 5
1500 U/min

Siemens Brasil – Sitios principales
Jundiaí, SP
1. Transformadores de Potencia
2. Productos de alto voltaje
3. Turbinas de vapor industriales y
servicios
4. Accionamientos
5. Condensadores de potencia y
alto voltaje
6. Oficina subestaciones alto
voltaje
7. Nueva planta: Productos de
medio Voltaje, Smart Grid y
servicios para distribución de
energía
4
1
1
3
2
5
1
7
5
6

Siemens Brasil
Referencias de turbinas a vapor suministradas por Siemens Brasil
MercadoMercado PotenciaPotencia
Papel 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 térmicos
Ciclo 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 =40K
Max = 120K *
Min =20K
Max = 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 30MW
1 2 3 4 5 6
SIN REGENERATIVO REGENERATIVO
RECALENTAMIENTO
+ REGENERATIVO
Desaireador
Desaireador
+ 1 pre-calent. HP
Desaireador
+ 2 pre-calent. HP
Desaireador
+ 3 pre-calent. HP
Desaireador
+ 4 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 caldera
Temperatura del condensado 112,9 °C 185,1 °C
Entalpia del condensado 480,03 kJ/kg 789,28 kJ/kg
Salída de vapor en la caldera
Temperatura de vapor en la salída 485,0 °C 485,0 °C
Entalpia del vapor en la salida 3378,2 kJ/kg 3378,2 kJ/kg
Flujo de vapor en la salida de la caldera 86.750 kg/h 92.050 kg/h
Eficiencia de la caldera 87% 87%
Combustible
PCI del combustible 7431,57 kJ/kg 7431,57 kJ/kg
Flujo 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 Térmicos
Sistema 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 saturaciónTemp 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 Turbogenerador
Reducción en el costo de inversión
Para 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 para
cada una de estas secciones, sin la necesidad de variar la generación de
vapor 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 Turbogenerador
Reducción en el costo de inversión
Para los ítems incluidos en el alcance de suministro del TG

Ventaja de 01 Turbogenerador
Reducción 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 alcanzarHay que evaluar caso a caso pero la suma de los beneficios puede alcanzar
USD 6,0USD 6,0 –– 7,0 mi7,0 mi

Soluciones para la instalación – Axial vs. Radial
Escape axialEscape axial
TransversalTransversal alal frente defrente de lala turbinaturbina
Escape radialEscape radial
TransversalTransversal abajoabajo dede lala turbinaturbina
Condensador

~7800mm 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
~2800mm

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: jose.pulido@siemens.com
André Cassolato
Siemens Ltda.
Tel: +55 (11) 4585 1297
E-mail: andre.cassolato@siemens.com
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