comprometidos con la productividad sustentable · las propiedades del fluido impactan el diseño de...
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March 2010 Gas and Process Division2
Atlas Copco –una vision global
Un lider mundial en el suministro de soluciones de productividad industrial
El espectro de sus productos y servicios va desde equipos para aire y gases comprimidos , generadores, equipamiento para construccion y mineria, herramientas industriales y sistemas de ensamble hasta el apoyo postventa y alquiler de equipos
Colaborando con sus clientes y socios de negocios , Atlas Copco entrega soluciones sustentables para una productividad en incremento por medio de productos y servicios innovadores
Con sede central en Suecia , los alcances del grupo alcanzan mas de 170 mercados
En 2009 Atlas Copco tenia 30.000 empleados e ingresos anuales de
BSEK 64 (BEUR 6.0).
Quien es Atlas Copco ENERGAS?
Soluciones Atlas Copco Gaz und Prozess—ENERGAS gmbh
Una division dentro del grupo AC Compressor Technique
March 2010 Gas and Process Division4
Nuestra Division esta focalizada en la industria del Gas y Proceso y enfatizamos nuestra posicion como suministrador lider de equipos a medida en compresores centrifugos con engranajes y turboexpansores.
La división tiene recursos para producir y empaquetar equipos en Europa (Energas), los EE.UU. (Comptec y Mafi-Trench), el Lejano Oriente y la India.
Sus centros de suministro de repuestos y servicios estrategicamente ubicados ademas de sus mas de 50 centros del cliente ofrecen soporte a nivel mundial.
Gaz und Prozess ENERGAS atiende a sus clientes en todo el mundo
La Division Gaz und Prozess--ENERGAS
March 2010 Gas and Process Division5
Division Gaz und Prozess
Sede Central Alemania
Energas GMBH
Planta de Producción
Alemania
ComptecPlanta de Producción
EE.UU.
Mafi TrenchPlanta de Producción
EE.UU.
AC Energas
Centro Aplicaciones
Alemania
AC ComptecCentro Aplicaciones
EE.UU.
Mafi TrenchCentro Aplicaciones
EE.UU.
AC ShanghaiCentro Aplicaciones
China
AC PuneCentro Aplicaciones
India
Organización
March 2010 Gas and Process Division6
Una perspectiva sobre nuestras soluciones
Establecido lider en compresores con engranajes integrales y Expansores radiales
Fabricacion de turbinas de expansion desde 1931
Mas de 4000 compresores centrifugos con engranajes integrados.
Mas de 3000 unidades de expansion
Diseño a medida para el cliente
API 617 / API 672 / API 614
March 2010 Gas and Process Division7
Compresores y Expansores ENERGAS
Productos ENERGAS :
Compresores centrifugos con engranje de una o
multiples etapas (1-8 etapas) diseñados a
medida, API / 617 / 672
Compresores centrifugos estandarizados de
engranje , 2 a 4 etapas
Turbinas de Expansion para aire y gas natural
para aplicaciones de recuperacion de energia
criogenica, API
March 2010 Gas and Process Division8
Productos de compresion
Compresores centrifugos, diseñados especificamente
Compresion hasta 200 bar
Potencia impulsora hasta 40 MW
Flujo hasta 400.000 m³/h
Electrical drive or steam turbine
Amplio rango operativo debido a
los alabes guia de entrada variables
(IGV) + Alabes guias de descarga
variables (DGV)
March 2010 Gas and Process Division9
PRODUCTOS TURBOEXPANSION
Expansor centrifugo, de una o multi-etapa con engranajes diseño especifico para cada aplicacion
Presion de entrada hasta 200 bar
IGV variables permiten rango de control de 10% a 150%
Configuraciones de carga:
Compresor, Freno hidraulicoGenerador eléctrico
Hasta 15 MW de recuperacion de energia por etapa
Cojinete de aceite o Magnetico Activo
API 617 / API 614
March 2010 Gas and Process Division10
OBJETIVO del enfoque Atlas Copco ENERGAS
Aprovechar un mayor porcentaje de la energia total disponible en el combustible utilizado en turbinas con ciclo RANKINE (vapor de agua).
Antiguo dilema Eficiencia tipica ciclo Rankine agua-vapor-agua :
– 35 % energia disponible en forma de electricidad generada
– 65 % energia disponible se disipa como calor residual y consumos internos de planta
COMO RECUPERAR UN MAYOR PORCENTAJE DE ENERGIA DEL COMBUSTIBLE ????
Soluciones para Recuperacion de Energia
Recuperacion de energia Geotermica, Residual y de Fuentes de frio
extremos.
March 2010 Gas and Process Division13
Esquema ORC
Proceso Similar al Ciclo Rankine
El fluido de trabajo es :
– Bombeado a alta presion
– Evaporado en una caldera
– Pasado a traves de una turbina
para generar energia
– finalmente re-condensado
En los Ciclos Organics Rankine el fluido es orgánico , con alto peso
molecular y un cambio de fase líquida a gaseosa en un punto de
temperatura mas bajo que el agua.
March 2010 Gas and Process Division14
Recuperacion de energia sobre la base de ORC
Basado en sus propiedades el ORC puede ser usado con fuentes de calor
de mas baja temperatura que el Ciclo Rankine standard agua-vapor
Esto resulta en un rango de aplicaciones mucho mas amplio como ser :
– Energia Geotermica
– Recuperacion de Calor
Residual
– Recuperacion de Energia
Fria
March 2010 Gas and Process Division15
Tipos de Recursos Geotermicos
Plantas de Energia Geotermicas
Vapor Seco ( >250 ° C)
Vapor de Expansion (200 a 250° C )
Ciclo Binario (<180° C)
March 2010 Gas and Process Division16
El fluido Geotermico
intercambia calor con un fluido
de bajo punto de ebullicion en
un evaporador
El fluido intermedio se vaporiza
El vapor saturado entra al
turboexpansor y se expande
hasta alcanzar la presion del
condensador
El fluido se condensa en un
condensador (de agua o de
aire)
El fluido intermedio es
bombeado de nuevo al
evaporador
El fluido Geotermico es re-
injectado en la formacion
Potencia Geotermica
March 2010 Gas and Process Division19
Intercambio de calor del escape
caliente de la turbina en dos
etapas, aceite termico y luego
fluido intermedio de bajo punto
de ebullicion en evaporador
El fluido intermedio vaporiza
El vapor en condicion Saturado
entra al turboexpansor y se
expande hasta la presion del
condensador
Condensador (de agua o de
aire) condensa el fluido
El fluido intermediario en
condicion liquida es bombeado
de nuevo al evaporador
Gas de escape mas frio sale a la
atmosfera
Recuperacion de Energia del Calor Residual
Intermediate fluid
Intermediate fluid
Thermal oil
Fuente de Calor , e.g. escape de turbina
March 2010 Gas and Process Division20
Energia fria de LNG es
usado para condensar un
liquido intermedio
El liquido intermediario es
vaporizado por calor de
agua de mar
El vapor saturado entra el
turboexpansor y se expande
hasta la presion del
condensador
El liquido intermedio es
rebombeado al evaporador
Recuperacion de Energia con frios extremos
Intermediate fluid
Intermediate fluid LNG vaporizer
Agua de Mar
March 2010 Gas and Process Division22
La seleccion del Fluido de Trabajo tiene que considerar los siguientes criterios :
Compatibilizar con las fuentes de calor y el disipador termico
=> impacto significativo en la eficiencia del ciclo
Las propiedades del Fluido impactan el diseño de los componentes principales ,
sus dimensiones y rendimientos
=> impacto sobre el costo , el rendimiento y la fiabilidad
Precio y disponibilidad en el mercado
Amigable para el medio ambiente, toxicidad
Temas de seguridad como ser condiciones de flamabilidad
Seleccion de Fluido de Trabajo– criterios basicos
March 2010 Gas and Process Division23
El rendimiento del ciclo depende de la forma del Diagrama T-S
Para aplicaciones Geotermicas y Recuperacion de Calor el mejor ciclo de fondo es el
ciclo Trilateral (Lorentz)
La forma del ciclo esta dado por el calor latente en las presiones de condensacion y
eváporacion y por la capacidad térmica específica en la seccion de precalentamiento
El tipo de expansion (mojada,seca o neutral ) tambien influye la forma del ciclo y
determina si se requiere supercalentamiento
Para optimizacion del rendimiento , es importante definir condiciones
de entrada como ser :
– Entrada de Calor :
Temperatura de entrada y flujo
Temperatura minima de salida
Sistema de condensado : ACC o torres de enfriamiento ,etc. etc.
– Condiciones ambientales
Optimizacion de Rendimiento
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2
s [KJ/kg]
T[°C
]
P=25
P=1 bar
q=
0.5
q=
0.25
q=
0.75
q=
0
q=
1
P=5
P=15
Typical TS-Diagram
March 2010 Gas and Process Division24
En base a la misma temperatura de entrada de la fuente de calor y a la misma temperatura de evaporacion , los fluidos ORC con menor calor latente pueden recuperar mas calor y esto resulta en una temperatura de salida de la fuente de calor mas baja.
La eficiencia de una planta ORC puede incrementarse en forma siginificativa seleccionando el fluido de proceso correcto.
Ejemplo de diferentes Diagramas QT
0 19.5 44.2
0
100
0
100
Pre-heater
Evaporator
[°C]
Transferred heat [MW]
0 22.9 34.7
0
100
0
100
Pre-heater
Evaporator
[°C]
Transferred heat [MW]
ORC fluid 2ORC fluid 1
March 2010 Gas and Process Division25
Soluciones Atlas Copco ENERGAS para la
recuperación de energía
ORC, rango de potencia 1 to 25 MW por etapa
Tecnologia de Expansion y referencias para todos los fluidos de proceso
disponibles :
– Diseño ORC,
– Diseño Kalina
– Amplio rango rango de implementacion
mediante el uso de alabes guia de entrada
variables
– Muy alta eficiencia >87%
Disponibilidad de Maquina >98%
March 2010 Gas and Process Division26
Recuperación de Energía
Una gran parte de la energía recuperada del gas
―expandido/despresurizado‖ en un Turboexpansor, es
convertida a energía mecánica.
Este trabajo es la razón de la alta eficiencia de un
sistema de turboexpansión.
March 2010 Gas and Process Division27
EXPANSIÓN ISENTRÓPICA
Diferenciándose de una válvula de expansion
(efecto J.T) , un Turboexpansor convierte la
energía de la corriente de gas en refrigeración y
trabajo. En este caso, se reduce la entropía y la
energía recuperada es entonces acoplada a
cualquier dispositivo que pueda hacer uso de la
misma. Por ejemplo: un generador eléctrico, o un
compresor.
March 2010 Gas and Process Division28
Un expansor también puede ser
utilizado para impulsar otros
dispositivos….. tales como una caja
reductora, luego otros equipos...
March 2010 Gas and Process Division31
Este conjunto turboexpansor-generador modelo Frame
4.0 produce aproximadamente: 2500 kW
¿Los resultados? … Electricidad esencialmente “Gratuita”.
March 2010 Gas and Process Division32
Dispositivo de control de Expansor
Los Alabes guia de entrada estan diseñados para controlar el
flujo en un amplio rango operativo entre verano e invierno
March 2010 Gas and Process Division33
Alabes guia de entrada Variables (IGV)
Flujo controlable por alabes guia a la entrada
de cada etapa
Los alabes guia de entrada variables
permiten la mas alta eficiencia aun en los
casos fuera de diseño
Los cambios de condiciones ambientales
entre noche y dia y durante las estaciones
pueden ser controlados para aseguar la mas
alta eficiencia
March 2010 Gas and Process Division36
Alcances de paquetes de suministro AC Energas
Tren Turboexpansor-generador
- Proteccion de generador
- Sistema de Control
– Asistencia de servicio y repuestos
asegurada durante vida util
Ciclo binario optimizado , Diseño
incluyendo seleccion de fluido
de proceso
-- Intercambiador de calor
– Condensador
– Bombas de reciclo
Plantas electricas ORC
March 2010 Gas and Process Division37
Unidad Expansor – Generador
Turboexpansor Radial , posibilidad de diseño multietapa
Caja de engranajes reductora de velocidad
– Sistema de aceite Generador
Componentes pricipales 1/3
March 2010 Gas and Process Division38
Componentes principales 2/3
Condensador refrigerado por aire o por agua
March 2010 Gas and Process Division39
Bombas de alimentacion
=>A fin de operar la mejor opción en configuración de plantas es
importante verificar desde el inicio el impacto del fluido en las
características de los componentes principales.
Uso de variadores de velocidad para adaptarse a las variaciones de proceso
climaticas.
Componentes principales 3/3
March 2010 Gas and Process Division40
Atlas Copco ENERGAS ofrece soluciones a medida optimizadas de alta
eficiencia para cada aplicacion , usando diferentes fluidos , ciclos a medida
y expansores diseñados especificamente para cada aplicacion
Ademas del ciclo ORC cycle, Atlas Copco ENERGAS suministra soporte
tecnico en el sector de recuperacion de energia y geotermia ; seleccion de
materiales para fluidos dificiles, metodos para evitar la deposicion de sarro y
tratamiento de aguas .
Puntos Relevantes:
– Seleccion del mejor fluido de trabajo para cada aplicacion
– Expansor de entrada radial con alabes guia de entrada variables (IGV), resultando
en altos rendimientos en condiciones de Diseño y Fuera de Diseño
– Alta salida de potencia por unidad de turboexpansion , hasta 15 Mw por etapa de
expansion
Ventajas ofrecidas por Grupo Atlas Copco
ENERGAS
March 2010 Gas and Process Division43
Plantas de Energia Geotermicas para Enel
Unidad diseñada
para hasta 15 Mw
Dos plantas
electricas en
Nevada, EE.UU.
Planta Stillwater
4 trenes
Planta Saltwells
2 trenes
Fluido de Proceso :
isobutano
March 2010 Gas and Process Division44
Plantas Electricas Geotermicas para Enel
Diámetro de impulsor 711 mm
Aleación de titanio forjada
Eficiencia isentrópica de 89%
6489 rpm => 1800 rpm caja engranaje reductora de velocidad
Generador Sincrónico
Sello mecánico de doble pelicula de aceite
March 2010 Gas and Process Division45
Planta geotermica East Mesa, USA
Diametro de
impulsor 914 mm
Potencia de salida
13,4 MW
Fluido de Proceso :
isobutano
Ciclo ORC
March 2010 Gas and Process Division46
Planta electrica Geotérmica Mauerstetten, Alemania
Agua termal de
~ 130°C
Ciclo Kalina
Medio de ciclo binario:
Mezcla de agua y
Amoniaco
March 2010 Gas and Process Division47
Planta electrica Geotermica Mauerstetten, Alemania
Salida de Potencia 5,6
MW
18.000 rpm =>1500 caja
de engranajes reductora
La unidad completa esta
diseñada para manejar una
produccion de potencia
mayor de lo anticipado
Permite producir hasta un
150% de la capacidad de
diseño inicial
March 2010 Gas and Process Division50
PLEXTM-3.0
Generando 2400 Kw del gas de entrada
de una planta de 500 Mw de ciclo
combinado—Aprovecha la reduccion de
presion del gas proveniente de ducto
March 2010 Gas and Process Division51
NECESIDAD
Demanda Creciente de Energia
Disponibilidad de recursos fosiles inciertos en mediano plazo
Costos de combustibles crecientes—tendencia firme
Riesgos ecologicos crecientes—ejemplo Golfo Mexico
Presion politica por calentamiento global creciente
Alternativas eólicas y solares restringidas por fluctuacion de vientos y
horarios diurnos.
Abastecimiento energetico suficiente necesario para crecimiento economico
sustentable . Requisito para inversiones.
March 2010 Gas and Process Division52
POSIBILIDAD Madurez Tecnológica
Principales componentes:
Tuberias
Intercambiadores de calor y calderas
Bombas
Generadores eléctricos
Cajas de engranaje
Torres de enfriamiento
Tecnologias de proceso
Variedad de fluidos de trabajo
Turboexpansores