Turbinas de Vapor. Cogeneración en Proyectos Industriales

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1 Turbinas de Vapor Cogeneración en Proyectos Industriales Marcio Campos Agosto de 2015

2 Modernization & Upgrades Power Generation (50/60 Hz) Process Steam Compact Appar. Steam Turbine Portfolio Most economical products for all power ranges SST-9000 SST-6000 SST-5000 SST-4000 SST-3000 SST-900 SST MW - 1,900 MW SST-800 SST-600 SST-500 SST-400 SST-300 SST-200 SST MW MW SST-111 SST-110 SST-100 SST-060 SST-050 SST kW- 12 MW

3 Modernization & Upgrades Power Generation (50/60 Hz) Process Steam Compact Appar. Compact Appar. Process Steam Power Generation (50/60 Hz) Steam Turbine Portfolio Most economical products for all applications SST-9000 SST-6000 SST-5000 SST-4000 SST-3000 SST-900 SST-700 Combined cycle Steam power plants Nuclear Combined heat & power SST-800 SST-600 SST-500 SST-400 SST-300 SST-200 SST-150 SST-111 SST-110 SST-100 SST-060 SST-050 SST-040 Power plants: biomass captive solar thermal combined heat & power geothermal Waste incineration Gas expansion Heat-recovery Mechanical drives Ships / Offshore Pulp & paper Oil & gas Petrochemicals General chemicals Textiles Sugar & ethanol Food & beverage Metals & mining Drives: - Boiler feed pump - Compressor - Fan / blower Miscellaneous industries Waste to energy Biomass Desalination Concentrated solar power

4 Steam Turbine Technology Efficiency and reliability for all applications High efficient steam power plants Customized process steam solutions Combined cycle power plant - world record Proven technology for nuclear power plants High flexibility in biomass applications Modernization and upgrades

5 The Evolution of Siemens Steam Power Plant Technology > 2020 SPP Boxberg 906 MW SPP Yuhuan 1,000 MW Double Reheat technology 700 ºC technology 260 bar 540/580 ºC 262 bar 600/600 ºC * Net efficiency achievable with this technology - project specific efficiencies may vary 330 bar 610/630/630 ºC 350 bar 700/720 ºC

6 TOOLS Calculation Softwares Pre-selection of the design Blading & Thermodynamic calculation Rotordinamic analysis Reliability over the performance Over 100 years of experience

7 Steam turbines State of art steam turbines

8 Introduction to steam cycle STEAM CYCLE

9 Boiler Steam Generator

10 Steam Turbine

11 Rankine Cycle Steam Cycle Chaminé Gases da combustão Combustível Ar Caldeira Turbina Condensador GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA ~ Torre de resfriamento SISTEMA DE CONTROLE DE FLUIDO DA CALDEIRA Bomba de alimentação CICLO RANKINE Bomba Água SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO D ÁGUA III

12 Content Turbine types - Concept

13 Backpressure Turbines Caldeira Turbina de contrapressão Gerador elétrico ~ Redutor de velocidade Processo Industrial

14 Codensing Turbines with extraction Caldeira Turbina de condensação Gerador elétrico ~ Redutor de velocidade Processo Industrial Condensador Bomba de alimentação

15 Condesing Turbines : Axial & Radial Turbina com escape axial Condensador Turbina com escape radial

16 Turbine Steam path Tubulação AK1 Tubulação AK2

17 Content Power Generation

18 Entalphy ENTALPIA DO VAPOR Exemplo condições do vapor: p 1 = 100 bar T 1 = 540 C H = kj/kg p 1 ΔH = 926 kj/kg H = kj/kg p 2 Exemplo queda entalpica: p 1 = 100 bar ; T 1 = 540 C p 2 = 2 bar

19 Steam Generation m = Vazão mássica de vapor (t/h) PCI = Poder Calorífico Inferior do combustível (kj/kg) Q = Vazão de combustível (t/h) H 1 = Entalpia da água de alimentação (kj/kg) H 2 = Entalpia do vapor (kj/kg) η = Rendimento

20 Power Generation P e = Potência elétrica nos terminais do gerador (kw) m 1 = vazão mássica de vapor de entrada na primeira parte da turbina (t/h) m n = vazão mássica de vapor de entrada na enésima parte da turbina (t/h) ΔH = Queda de energia entalpia (kj/kg) η = Rendimento do turbogerador

21 Content Cogeneration and maximizing electrical efficiency

22 Example in Sugar Industry Agrícola Indústria Biomassa e Bioeletricidade

23 How to increase energy efficiency? Understanding process needs (priority) Analysis of fuel potential Heat & mass balances Optimizing the best alternatives, taking into consideration: fuel cost, energy cost, industry operational cycle, CAPEX, OPEX, etc Choose the best solution together with customer

24 Content Best pressure & temperature Introduction to regenerative cycle

25 Consumo da fábrica Heat Balance 42bar Rede elétrica Concesionaria Rede elétrica da Usina Caldeira 2 Rede de vapor de 42 bar ~ Caldeira 1 Rede de vapor de 21 bar Moendas Picador Desfribrador Bombas Geração de Energia Fábrica Acionamiento mecanico Rede de vapor de 2,5 bar

26 Consumo da fábrica Heat Balance 65 or 100 bar Rede elétrica Concesionaria Rede elétrica da Usina Caldeira 2 Rede de vapor de 65 ou 100 bar ~ Fábrica Caldeira 1 Rede de vapor de 21 bar Acionamento mecanico Moendas Picador Desfribrador Bombas Rede de vapor de 2,5 bar Geração de Energia Eletrificação da Moenda

27 Increasing P/T of Steam BP Turbine Exemplo: Fluxo de vapor de entrada: 180 t/h - Eficiencia do TG: 84% Entrada Escape 42bar(a) / 400ºC 2,5bar(a) 65bar(a) / 480ºC 2,5bar(a) 65bar(a) / 510ºC 2,5bar(a) 85bar(a) / 520ºC 2,5bar(a) 100bar(a) / 530ºC 2,5bar(a) Geração de Energia (MW) % + 4,6% + 5,9% + 3,6% Eficiencia Geração / ton de bagaço Ref. Caldeiras eff 87.8%, PCI, combustivel 50% H2O, PCI 1775kCal/kg % + 5 % % + 2.7%

28 Increasing P/T of Steam Condensing Turbine Exemplo: Fluxo de vapor de alimentação: 120 t/h - Eficiencia TG: 82% Alimentação Escape 42bar(a) / 400ºC 0,15bar(a) 65bar(a) / 480ºC 0,15bar(a) 65bar(a) / 510ºC 0,15bar(a) 85bar(a) / 520ºC 0,15bar(a) 100bar(a) / 530ºC 0,15bar(a) Geração de Energía (MW) % + 3.4% + 3.3% + 2.3% Eficiencia Geração / ton de bagaço Ref. Caldeiras ef 87.8%, PCI, combustivel 50% H2O, PCI 1775kCal/kg % + 2.5% + 1.1% + 0.9%

29 Regenerative Cycle ~

30 Regenerative Cycle Real Case

31 Improvements Regenerative cycle Increase steam generations increase power output Saving fuel lower costs or generate energy during out of crop Final result Increase energy efficiency

32 Regenerative Cycle Real Case Siemens software Real conditions Including the real calculation of the steam turbine behavior Several elements: boilers & turbines

33 Content Re-heat Rankine Cycle

34 Re-heat rankine cycle UTE Canoas Petrobras; 88,4 MW Bar / 524 o C;

35 Re-heat rankine cycle

36 Content Industrial Application Real Case

37 Regenerative Cycle Real Case Premissas (informações fornecidas pelo cliente) Moagem MTC MTC MTC Fibra média Consumo específico de vapor por tonelada de cana Tempo operação Aproveitamento Tempo efetivo Consumo específico de vapor da turbinas existentes Palha Reserva de combustível 13% 490 kg/t 240 dias 80% h 5,7 kg/kw N.A 3%

38 Ciclos Convencional Caso Real SAFRA Geração Total = 122MW Selagem e ejetores (2 x 0.5t/h) 450 T/h 214T/h Caldeiras novas 2 x T/h T/h T/h Turbinas novas 2 x 31 MW 30 MW 30 MW 2 x T/h 15 T/h 15 T/h 67bara C 1 x 250t/h + 1x 200 t/h água alimentação = 115 C 141.8T/h 141.8T/h Vapor Processo + Desaerador (637 t/h)

39 Ciclos Convencional Caso Real ENTRE-SAFRA Geração Total = 28 MW Período = 85 dias Selagem e ejetores (2 x 0.5t/h) 111 T/h 0 T/h Caldeiras novas 0 T/h 0 T/h 110 T/h Turbinas novas -- MW -- MW 28 MW 10T/h 100 T/h 67bara C 1 x 250t/h + 1x 200 t/h água alimentação = 115 C 10 t/h - Desaerador

40 Ciclos Regenerativo Caso Real SAFRA Geração Total = 128MW Selagem e ejetores (2 x 0.5t/h) 450 T/h 255T/h Caldeiras novas 2 x T/h 175 T/h 175 T/h Turbinas novas 2 x 31 MW 33 MW 33 MW 2 x T/h 15 T/h 15 T/h 67bara C 1 x 250t/h + 1x 200 t/h água alimentação ~ 160 C Vapor Processo + Desaerador (637 t/h) 141.8T/h 141.8T/h Ciclo regenerativo Ciclo regenerativo

41 Ciclos Regenerativo Caso Real ENTRE-SAFRA Geração Total = 42 MW Período = 85 dias Selagem e ejetores (2 x 0.5t/h) 175 T/h 0 T/h Caldeiras novas 0 T/h 87 T/h 87 T/h Turbinas novas -- MW 21 MW 21 MW 70 T/h 70 T/h 67bara C 1 x 250t/h + 1x 200 t/h água alimentação ~ 160 C 18 t/h - Desaerador 9T/h 9T/h Ciclo regenerativo Ciclo regenerativo

42 Caso Real Ciclo Convencional vs Regenerativo Solução Básica Otimizada Geração Safra 122 MW 128 MW Consumo interno 39 MW 39 MW Tempo efetivo h h Exportação MWh MWh Geração Entressafra 28 MW 42 MW Consumo interno 3,5 MW 3,5 MW Tempo Efetivo h h Exportação MWh MWh Total Exportação MWh MWh Valor Energia $60 MWh $60 MWh Faturamento/safra Otimização/ano $ $ $

43 Energy Income vs Capex of Turbine Total Cost of Ownership (TCO) O custo do Turbogerador representa <5% da receita com a venda da energia exportada Aumento de 3% na Eficiência da turbina: Receita adicional de MR$ >20 Turbina (35MW) parada durante 1 mes: MR$ ~4,0 Usina base: Geração total = 70MW; Energia exportada = 45MW;

44 Conteúdo CAPEX & OPEX Optimization

45 Layout optimization Escape axial Transversal a frente da turbina Condensador Escape radial Transversal abaixo da turbina

46 Axial exhaust INSTALAÇÃO DO CONDENSADOR FORA DA CASA DE FORÇA

47 Outdoor instalation Siemens possui diversas referências e experiências de instalação ao tempo;

48 With or without gearbox Acionamento direto Acionamento com redutor

49 High speed balancing

50 Vibração no mancal [mm/s rms] Real case Low vs high speed balancing Redução de 63% no nível de vibração transmitido para a caixa de mancal do valor que teríamos se fizéssemos apenas o balanceamento em baixa rotação Rotor balanceado em baixa rotação Limite da norma Mesmo rotor balanceado em alta rotação Balanceamento em Baixa rotação Balanceamento em Alta rotação Os níveis de vibração não são percebidos em baixa rotação

51 Opex Maior confiabilidade = menos manutenção Na prática = redução do OPEX

52 GRACIAS POR LA ATENCIÓN! Marcio Campos Celular:

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