Comprometidos con la Productividad Sustentable · Las propiedades del Fluido impactan el diseño de...

Comprometidos con la Productividad

Sustentable

Grupo Atlas Copco

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


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


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


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


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


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)


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


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.

Ciclo Organico Rankine (ORC)

Utilizando recursos de baja temperatura


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.


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


Tipos de Recursos Geotermicos

Plantas de Energia Geotermicas

Vapor Seco ( >250 ° C)

Vapor de Expansion (200 a 250° C )

Ciclo Binario (<180° C)


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


Esquema de ORC sin aprovechamiento para calefaccion

ORC


ORC

Esquema de ORC con suministro de calefaccion edificios


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


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

Optimizacion de Ciclo Organico Rankine


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


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


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


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%


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.


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.


Un expansor también puede ser

utilizado para impulsar otros

dispositivos….. tales como una caja

reductora, luego otros equipos...


…luego transfiere Kw de

trabajo a una caja reductora …


…la cual impulsa un

generador eléctrico.


Este conjunto turboexpansor-generador modelo Frame

4.0 produce aproximadamente: 2500 kW

¿Los resultados? … Electricidad esencialmente “Gratuita”.


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


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


Carcasa del Expansor con IGV´s instalados …


Alabe guia variable IGV para un Turbo Expansor

de 15 MW


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


Unidad Expansor – Generador

Turboexpansor Radial , posibilidad de diseño multietapa

Caja de engranajes reductora de velocidad

– Sistema de aceite Generador

Componentes pricipales 1/3


Componentes principales 2/3

Condensador refrigerado por aire o por agua


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


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

41

Referencias


ENEL plantas Geortermicas en Nevada


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


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


Planta geotermica East Mesa, USA

Diametro de

impulsor 914 mm

Potencia de salida

13,4 MW

Fluido de Proceso :

isobutano

Ciclo ORC


Planta electrica Geotérmica Mauerstetten, Alemania

Agua termal de

~ 130°C

Ciclo Kalina

Medio de ciclo binario:

Mezcla de agua y

Amoniaco


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


PLEXTM-3.0

2400 kW

Engranaje integral

Generador de induccion


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


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.


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


Comprometidos con la

Productividad Sustentable.

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