RECUPERACIÓN DE CALOR DE GASES EXHAUSTOS DE TURBINAS EN PLATAFORMAS MARINAS
Isabel Leal Enriquez
Instituto Mexicano del Petróleo Mayo, 2012
Objetivo
Mejoramiento ecológico mediante la disminución de las emisiones de gases de efecto invernadero
Mejoramiento de la eficiencia energética del centro de trabajo
Cogeneración
Para efectos legales en México, los procesos de cogeneración quedan definidos en el artículo 36 fracción II, de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica. En el reglamento de la Ley mencionada en su artículo 103 puntualiza que se entiende por cogeneración a la:
I.- Producción de energía eléctrica conjuntamente con vapor u otro tipo de energía térmica secundaria, o ambas.
II.- Producción directa o indirecta de energía eléctrica a partir de energía térmica no aprovechada en los procesos de que se trate
III.- Producción directa o indirecta de energía eléctrica utilizando combustibles producidos en los procesos de que se trate.
Cogeneración
Conjunto de equipos interconectados que permiten generar secuencialmente energía eléctrica y/o mecánica y energía térmica útiles a los procesos industriales, a partir de una misma fuente de energía primaria (combustible).
Cogeneración
Turbina de gas
Cámara de combustión
Compresor
Recuperador Silenciador Chimenea
Gas exhausto
Gas combustible
Gas de proceso
Aceite térmico
Aire
Turbina de gas
Cámara de combustión
Compresor
Silenciador / Chimenea
Gas exhausto
Aire
Gas combustible
Gas de proceso
Cogeneración
En muchas plataformas, los gases de desecho de las turbinas se envían a la atmósfera entre 400 y 500°C en promedio, es decir, operan a ciclo abierto dejando escapar una gran cantidad de energía. Para lograr la cogeneración, se instalan en las chimeneas en vez de los silenciadores, Unidades de Recuperadores de Calor (URC), sin sobrepasar la caída de presión del silenciador para evitar generar sobrepresión en el compresor que provoque una baja de eficiencia en la operación del mismo.
Unidades de Recuperación de Calor
Una URC debe cubrir ciertas condiciones que pudieran resultar contradictorias: Obtener la mayor eficiencia en la recuperación del
calor de los gases exhaustos. La pérdida de presión en el recuperador de calor
debe ser mínima para no afectar la potencia de salida del compresor y la eficiencia de la turbina de gas.
Evitar que la temperatura de los gases exhaustos a la salida del recuperador estén por debajo de la temperatura de corrosión (entre 120 y 150 °C), que es el punto de rocío del ácido sulfúrico (H2SO4).
Turbinas de gas
Las turbinas comúnmente empleadas en plataforma son: Marca Solar, Centauro 50H de 6,170 HP (4,600 kW) y 11,630
Btu/kWh de HR Centauro 40 GS de 4,700 HP (3,500 kW) y 12,230
Btu/kW-h de HR Taurus 60 de 7,700 HP (5,742 kW) y 10,681
Btu/kW-h de HR Marca General Electric LM2500, algunas repotenciadas a LM-2500+G4 de
47,370 HP (35,320 kW) y 8,676 BTU/kW-h
Requerimiento de energía
Procesos consumidores de energía en plataformas
Endulzamiento de gas Deshidratamiento de gas Calentamiento de crudo para desalado y/o
deshidratado Acondicionamiento de gas combustible de BN Acondicionamiento de condensados
Aplicación
En un complejo se requieren 5 MMkcal/h para el calentamiento de diversos procesos.
Se requiere instalar un calentador de gas-aceite térmico con capacidad de acondicionar 40 MMPCSD de 50 a 60°C a 75 kg/cm2, lo cual equivale a 1 MMkcal/h.
Se requiere cubrir una demanda energética de respaldo de 35 MMcal/h como máximo
En la plataforma de compresión cuenta con cuatro módulos de compresión acoplados a turbinas de gas LM-2500+G4, GE
No existe calentamiento de crudo
El respaldo de energía constituye un proyecto estratégico
Aplicación
COMPRESIÓN
-
ENLACE
PERFORACIÓN
C - 7
TQ. REPOSICION
TQ. EXPANSION
SISTEMA DE ACEITE DE CALENTAMIENTO
SISTEMA DESHIDRATACION DE GAS
REBOILER
SISTEMA ACOND. DE GAS
CALENTADOR DE G.C.
SEPARADOR DE G.C.
TORRE
SISTEMA DE COMPRESION
RECUPERADOR
DE CALOR
Curvas de desempeño
La turbina de gas LM250+G4 operando al 100% de capacidad, emite a la atmósfera 84 kg/seg de
gases exhaustos a 541 °C equivalente a 30 MMkcal/h, cuando operan a
condiciones ISO y enfriando los gases a 150°C.
CONDICIONES AMBIENTALES
TEMPERATURA BULBO SECO, ºC 28
TEMPERATURA BULBO HÙMEDO, ºC 25.2
HUMEDAD RELATIVA, % 80
ALTITUD, m 0
PERDIDAS A LA ENTRADA, plg H2O 4
PERDIDAS A LA SALIDA, plg H2O 6
Fuente: General Electric, División Turbinas Aeroderivadas, 2010
% 100 80 60 40 20
POTENCIA GENERADA, kW 29,250 23,407 17,562 11,720 5,890
HEAT RATE, BTU/kW-h 9,107 9,665 11,945 13,008 15,989
EXHAUSTOS
TEMPERATURA, ºC 541.2 528.5 557.4 544.7 478.1
FLUJO, kg/h 302,400 273,600 246,200 204,200 155,500
Cp, kcal/kg-°C 0.28 0.28 0.28 0.28 0.27
Energía disponible
La temperatura de salida de los gases exhaustos corresponde a la temperatura de entrada del aceite térmico más un diferencial propuesto para obtener un diseño adecuado del recuperador de calor, esto es 193 + 50 = 243 °C,
Energía recuperada
La opción propuesta es la instalación de cuatro recuperadores de calor, uno en cada módulo de compresión de la
plataforma de compresión para dotar de flexibilidad operativa al proceso.
Resultados
La topología de la red de intercambiadores de calor tiene una mínima integración de energía.
Se determinaron los niveles de recuperación de calor en las turbinas procurando la máxima recuperación de energía.
Los casos analizados van desde el 100 al 20% de operación de las turbinas marca GE modelo LM2500+G4.
Resultados
El resultado del caso analizado considera mantener las condiciones de flujo y temperatura del aceite térmico en los usuarios de calor de la plataforma de compresión con objeto de conservar la estructura de la red de intercambio de calor y el diseño de los equipos de transferencia térmica.
Por dejar de operar el calentador a fuego directo, cuya capacidad es de 6 MMkcal/h, se tendrá un ahorro de gas combustible aproximadamente de 0.5 MMPCSD, que podrá ser utilizado para venta o para bombeo neumático, lo que representa una doble ganancia.
Se puede cubrir la demanda de energía para los usuarios de la plataforma de compresión y la energía de respaldo solicitada.
Aplicación
En un complejo se requiere calentar una corriente de crudo pesado para lograr una mezcla de tres crudos y mejorar su transporte a tierra.
Se requiere recuperar la máxima cantidad de energía de los gases exhaustos
En la plataforma de compresión se cuenta con tres módulos de compresión acoplados a turbinas de gas LM-2500, GE
Aplicación
En un complejo se requiere calentar una corriente de crudo ligero para deshidratado y desalado.
De acuerdo a los pronósticos de producción, la temperatura de extracción del crudo está disminuyendo y el corte de agua está aumentando.
Se requiere calentar el crudo 15°C, es decir a 55°C.
En la plataforma de compresión cuenta con cuatro módulos de compresión acoplados a turbinas de gas LM-2500, GE
Recomendaciones
Conservar los acercamientos térmicos mínimos recomendados para el diseño de los recuperadores de calor
No alcanzar la temperatura de rocío de los gases de combustión a la salida.
Usar el perfil de temperaturas del aceite térmico a flujo de diseño, para no modificar la red de intercambio de calor actual ni los diseños de los cambiadores de calor.
Para este tipo de estudios, aplicar la normatividad vigente NRF-135-PEMEX-2005 Recuperadores de calor, NRF-257-PEMEX-2010 Sistema de calentamiento de aceite térmico y NRF-100-PEMEX-2009-TURBINAS DE GAS
Ing. Isabel Leal Enriquez IMP [email protected]
Top Related