análisis de caso - · aplicaciones posibles en las que se pudiera reemplazar turbinas de vapor de...
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Reemplazo de turbinas de vapor por accionamientos eléctricos
Carlos Bondoni
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Análisis de caso
Reemplazo de una turbina de vapor de 4000 HP @ 4000 rpm por un accionamiento eléctrico de velocidad variable, en la unidad “A” del cracking catalítico de la Refinería La Plata
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La refinería La Plata comenzó sus actividades en el año 1925
Tiene una capacidad de procesamiento de 30.000 m3 de petróleo por día en sus 35 unidades de proceso
En la refinería existen varios compresores, ventiladores y bombas de alta potencia impulsados por turbinas de vapor
El envejecimiento de las turbinas es una de las causas de ineficiencias operativas
La refinería posee un fuerte compromiso con la calidad y la reducción de los costos operativos. Ésta es una de sus características diferenciales.
Los costos de la energía son revisados permanentemente y se evalúan frecuentemente proyectos de ahorro energético
En este contexto, los estudios de factibilidad de reemplazo de turbinas tienen importancia
Introducción Consideraciones generales©
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Para optimizar el consumo energético se identificaron varias aplicaciones posibles en las que se pudiera reemplazar turbinas de vapor de media presión por accionamientos eléctricos de velocidad fija o variable.
En la refinería existía un antecedente de una bomba de agua de refrigeración a la que se le había reemplazado una turbina de 1800 kW por un motor eléctrico de velocidad variable en 1995
Introducción Casos posibles
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Proceso
4000 HP
4000 HP
5000 HP
Introducción Unidad A de cracking catalítico
La unidad FCCU “A” posee tres soplantes para inyectar aire para transporte y regeneración del catalizador.
En la operación normal se requiere del funcionamiento de soplante de 5000 HP y uno de los dos de 4000
Las tres máquinas estaban impulsadas por turbinas de vapor
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Era necesario realizar trabajos de mantenimiento a la turbina del soplante AT, 4000 HP.
Se consideraba, inclusive, el reemplazo del rotor
La condición general de la turbina no permitía un control preciso del caudal de aire, haciendo necesario el venteo del exceso
Introducción Unidad A de cracking catalítico
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Se decidió analizar la factibilidad del reemplazo de esta turbina.
Las condiciones de la turbina aconsejaban un plan de acción de corto plazo.
La tecnología de convertidores de media tensión y la base instalada hicieron considerar las bondades de esta alternativa aun en aplicaciones que requirieran velocidades superiores a 3.000 RPM (velocidad sincrónica de los motores de 2 polos).
Introducción Factibilidad©
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Mejorar el índice de intensidad energética (EII) de la refinería en 30 TNFOE/día (es decir, una mejora de 1,3%)
Reducir la producción de vapor de media presión en 23 T/H
Reducir la circulación de agua de refrigeración eliminando condensadores de superficie. (aprox. 1000 m3/H)
Reducir el consumo de agua en las calderas
Proveer una operación más flexible
Análisis Objetivos
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Fuel Oil EquivalenteLas refinerías evalúan el consumo de energía en TNFOE. FOE es el resultado de convertir el poder calorífico de cada fluido1 TNFOE equivale a 9.840 KCALEl consumo diario, dependiendo del nivel de producción, es 2.000 TNFOE aproximadamente1 Punto EII equivale a 18 TNFOE (EII SOLOMON ENERGY INTENSITY INDEX)
Análisis Términos©
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Alcance
Reemplazar una turbina de vapor de 4.000 HP por un motor eléctrico de media tensión alimentado por un convertidor de frecuencia para el control de velocidad.
Reacondicionar una celda existente de media tensión para alimentar el convertidor. Tender el cable de alimentación desde la subestación hasta el convertidor.
Comunicar el accionamiento de velocidad variable con el sistema de control de la unidad e implementar los lazos de control para una operación óptima
Construir una sala eléctrica para alojar el convertidor y los auxiliares
Ensayar en fábrica el conjunto transformador, convertidor, motor
Proveer asistencia 24 x 365 durante el primer año de operación
Análisis Alcance del proyecto
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Costo estimado del vapor 5.59 $/TN
Costo de la electricidad en el mercado spot 0.031 $/kWh
Reducción de consumo de vapor 23 TN/H
Reducción del consumo eléctrico en bombeo de agua de refrigeración estimado en 100 kW
Aumento del consumo eléctrico (accionamiento eléctrico de velocidad variable) 2,950 kW
Análisis Estimación de costos (Nov. 98)©
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Optimización del proceso por mejoras de control y disminución del venteo 30.4 M$/añoReducción de la reposición de agua de refrigeración 3,5% del caudal circulante (1.000 M3/H), ahorro estimado 35 m3/hCosto de mantenimiento de la turbina 50M$/año. Para el nuevo sistema se estimó 5M$ cada 4 años.Ahorro adicional durante el primer año: 500 M$ compra del rotor de repuesto
Análisis Beneficios
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Rubro Turbina Accionamiento eléctrico
Energía $1,146,373 $866,265
Mantenimiento $50,000 $1,200
Agua de refrigeración
$107,310 $2,575
Control de velocidad
$0 ($114,913)
Análisis Costos
Fuentes de ahorro
60%10%
23%
7%
Annual energyMaintenanceCoolant waterFlow control
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Durante la etapa de evaluación de proveedores y ofertas se prestóespecial atención a:
La experiencia local en asistencia técnica, recursos de puesta en servicio y asistencia de post venta.
Base instalada
Capacidad de ejecución de proyectos “llave en mano”
Análisis Evaluación de proveedores
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Decisión
El análisis realizado demostróque los objetivos eran alcanzables
El retorno de la inversión se estimó en 3 años
Se seleccionó a ABB para ejecutar el proyecto
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Celda de MT de alimentación
Transformador de aislación y ajuste de tensión
Convertidor de tensión-frecuencia
Motor
Interruptorprincipal13,8 kV
y seccionadorde PAT
Transformador4400 KVA
13.8/1.9/1.9 kV
Motor2980 KW4100 RPM
Ventiladorcentrífugo4100 RPM
Convertidor de U/f
Descripción del sistema Componentes principales
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Sistema de mediciónde vibraciones
Celda de 13,8 kV Transformador
MotorSoplante
Convertidor de U/f
Descripción del sistema Mediciones y auxiliares
DCS
Sistema de lubricaciónSistema de alimentaciónauxiliar
Mediciones y protecciones
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Transformador de doble secundario
Rectificador de 12 pulsos
Circuito de potencia sin fusibles
Capacitores de la etapa intermedia de larga vida
Puente inversor con IGCTs, de 3 niveles, con neutro virtualFiltro senoidal de salida
IM
Descripción del sistema Accionamiento de velocidad variable
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IM
Conformidad con IEEE 519
FP > 0.95
Bajas pérdidas
Descripción del sistema Rectificador de 12 pulsos
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IM
Alta frecuencia de conmutación
Bajas pérdidas de conducción
Sin elementos en serie
Sin snubbers
Sin fusibles
Beneficios
Rendimiento >98%
Bajo número de partes
Alta disponibilidad
Convertidor con IGCTs
Descripción del sistema Puente inversor
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Puente inversor de
3 niveles con
neutro virtual
Crecimiento de tensión hasta 20KV/µS
Tensiones de modo común
Cables especiales
Descripción del sistema Puente inversor
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Filtro pasabajo Tensión y corriente sinusoidales
Cables y motor estándar
Sin tensiones de modo común
Descripción del sistema Filtro de salida
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Proyecto llave en mano
Fabricación y ensayo del equipamiento
Ingeniería
Obra civil
Obra eléctrica
Obra mecánica
Instalación y puesta en servicio
Ejecución del proyecto©
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Ejecución del proyecto
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Ensayo de conjunto
Ejecución del proyecto
Operación del sistema
Medición de rendimiento
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Aux
iliar
ies
Con
trol U
nit
Transformer 13'800 V2*1'905 V
Wat
er C
oolin
g U
nit
Water In
Out
Converter
3 * 13.8 kV, 50 Hz
3 * 8 kV, 50 Hz
nMotor3300 V
2980 kW4100 rpm
I M3
3 * 400 V, 50 Hz
Gearbox
Load
ing
syst
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Pow
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ork
Gen3
Ensayo de conjunto
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Ensayo de conjunto ©
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Tensión en bornes del motor
Ensayo de conjunto
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Corriente del motor
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Rendimiento
Ensayo de conjunto
94.44%93.13%Sistema
96.3%95.9%Motor
98% 1)98%Convertidor
99%Transformador
Valor medidoValor ofrecido
Equipo
1) Durante el ensayo se midió el rendimiento del subconjunto transformador-convertidor
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Análisis armónico
Análisis de fundaciones y bases de montaje
Coordinación de protecciones
Selección de cables
Análisis torsional no fue necesario
Trabajos de ingeniería©
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M
MM
33 kV641 MVA
20 MVA11%
13,8 kV364 MVA
2600 KVA6,1%
4400 KVA8%
2500 KVA 3750 KVA9600 kW
20 MVA11%
Análisis armónico
Mediciones en la barra de 13,8 kV
Accionamiento existente de 2.6 MVA: THD (V) 1,3%
Accionamiento nuevo de 4.4 MVA: THD (V) 0,9%
Ambos convertidores: THD (V) 1,9%
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Edificación sala de convertidor, junto a la FCCU “A”Edificio presurizado
Alojamiento para el convertidor y la celda de MT
Alimentación auxiliar redundante (380 V AC)
Base para el transformador
Trabajos en sitio Fase 1
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Trabajos en sitio Fase 1
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Trabajos en sitio Fase 1
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Modernización de la celda 26 de MTReemplazo del interruptor
Provisión de un instrumento multivariable y conexión a la red informática de planta y al DCS
Reemplazo del secciondor de puesta a tierra
Trabajos en sitio Fase 1
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AuxiliaresNueva central de lubricación para el motor y el soplante
Líneas de agua de refrigeración para el motor
Dos líneas de baja tensión provenientes de distintas subestaciones
Instalación de transformador y convertidorTendido de cables
Transformador – convertidor
Convertidor - motor
Trabajos en sitio Fase 1
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Trabajos en sitio Fase 2
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MecánicaDesmontaje de la turbina, embalaje de sus partes para ser conservadas como repuestosModificación de la base de montaje (dimensiones). Estructuralmente el motor representa una carga menos demandante: más liviano, con menos vibraciónInstalación de la central de lubricación: bombas redundantes y tanque elevado
Motor Instalación y cableadoFuncionamiento desacopladoMediciones de vibración
Trabajos en sitio Fase 2
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Site work - phase 2
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Site work - phase 2
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Instalación del sistema de medición de vibraciones
Modificaciones en el sistema de controlImplementación de lógicas de control y modificación de la base de datos
Nuevas páginas en las estaciones de operación
Trabajos en sitio Fase 2
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Mediciones de consumo energético confirmaron la reducción esperada de 1,5 puntos en el EII
El soplante opera en forma continua a 3800 RPM con un caudal de aire de 70.000 m3/h
La función de operación durante microcortes de alimentación permitiósuportar cortes de hasta 700 mS sin que el soplante saliera de servicio
Resultados©
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Capacidad del accionamiento permitió un mejor control de la velocidad, lo que se traduce en menor exceso de O2 en el regenerador, aumentando la eficiencia de la operación
Ahora es posible operar la unidad en baja carga
La disponibilidad del soplante no depende de la disponibilidad de vapor.
El sistema eléctrico puede entrar en servicio en menos tiempo que las turbinas, después de una parada de la unidad.
Resultados
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Ahorros durante el primer año = 33% de los costos del proyecto(sin incluir el costo de los repuestos de turbinas que no fue
necesario comprar)
Ahorro
Rubro Turbina Accionamiento eléctrico
Energía $1,146,373 $866,265
Mantenimiento $50,000 $1,200
Agua de refrigeración
$107,310 $2,575
Control de velocidad
$0 ($114,913)
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La operación de estos años ha demostrado que…..
el sistema es altamente confiable;
se ha racionalizado el uso de la energía;
la operación es muy simple;
el mantenimiento es muy simple.
Experiencia operativa