Beneficios de incorporar la tecnología Ciclo Higroscópico (HTC) en una planta enregética basada en ciclo Rankine
De izquierda a derecha:
Fernando Soto Pérez
Asesor
Francisco Javier Rubio Serrano
Director de IMATECH
Francisco Javier Cobos González
Dtor. de Estrategia y desarrollo de negocio
IMATECH
IMASA TECHNOLOGIES
1. VENTAJAS DE INCORPORAR EL CICLO HIGROSCÓPICO FRENTE A OTROS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN TRADICIONALES
1.1. Mejora del rendimiento eléctrico neto de la instalación
El aumento de rendimiento viene por el mayor número de horas anuales en las cuales la planta trabajará a plena carga de vapor a presiones de condensación más bajas. En definitiva, la presión de condensación media anual será significativamente menor que cualquier otro sistema (tanto ciclo Rankine con torres de refrigeración como ciclo Rankine con aerocondensador como es este caso), y la potencia eléctrica producida mayor. Con dicha mejora de rendimiento, se consigue además disminuir las emisiones de CO2 y otros gases (NOx, SOx…) por kWh producido. La siguiente figura refleja dicha conclusión:
Figura 1: Potencias nominales con HCT y ACC en base a la temperatura ambiente.
La potencia eléctrica de diseño (Pdiseño) de la planta se decidirá en fase de oferta, tan pronto se tengan todas las opciones técnicas (condiciones del vapor vivo y vapor de exhaustación) y económicas sobre la mesa, en cuanto a equipos principales se refiere (caldera-turbina). Para el análisis se ha partido de la misma potencia de diseño tanto en ciclo Higroscópico (HCT) como ciclo Rankine con aerocondensador (ACC).
La presión mínima del vapor de exhaustación que se ha seleccionado en la figura 1 es 0,07 bar(a) para ambas opciones. Valor límite para un ciclo Rankine con aerocondensador (ACC) mientras que un ciclo Higroscópico se puede llegar a valores inferiores a 0,01 bar(a).
Además, los autoconsumos eléctricos anuales del HCT son inferiores comparados con ciclo Rankine tanto con torres de refrigeración como con aerocondensador. Tanto a temperaturas bajas (inferiores a 10 ºC), como altas (superiores a 25 ºC), la optimización energética con el HCT es máxima.
La ventaja de los aeroenfriadores es que regulan la velocidad de los ventiladores de una manera muy eficiente en base a la temperatura ambiente y, de ello, su optimizado consumo eléctrico anual. Además, el hecho de que los tubos sean de cobre en los aerorefrigerantes, dada la alta conductividad térmica del mismo, refrigerando una corriente líquida (no condensando vapor a vacío), hace que el coeficiente de transferencia térmico sea elevado, mucho mayor que el de los grandes tubos de acero de los aerocondensadores, actuando como un verdadero radiador (prácticamente sin consumo eléctrico) en muchos momentos en los meses más fríos.
Por todo lo comentado anteriormente, la energía anual neta generada con la tecnología ciclo Higroscópico (HCT) será en torno a un 3% superior respecto a la opción de elegir un ciclo Rankine utilizando el mejor aerocondensador (ACC) del mercado. En momentos puntuales, como en olas de calor, donde las temperaturas ambientales superan 30 ºC, este aumento de energía eléctrica neta puede superar el 5%, incluso se podría evitar un disparo de turbina por bajo vacío (alta presión de condensación) que se podría producir con un aerocondensador.
Los equipos característicos de la tecnología HCT, absorbedor de vapor y aerorefrigerantes, tienen unos costes de O&M inferiores a un ciclo Rankine, tanto utilizando torres de refrigeración como ACC. Ello se debe a la configuración de los equipos principales del HCT, absorbedor de vapor y aerorefrigerantes.
1.2. Sistema de extracción de incondensables
El sistema de extracción de incondensables es más pequeño en un ciclo Higroscópico que en un ciclo Rankine y, de ello, su menor consumo energético o de vapor por este concepto. Esto se debe a la propia configuración del ciclo Higroscópico.
Si lo comparásemos con un ciclo Rankine con aerocondensador, el volumen a vacío del ACC es muy superior respecto a la opción de ciclo Higroscópico, en torno a 10 veces más. Debido a ello, las necesidades de evacuación de incondensables, y, en consecuencia, el tamaño y consumo eléctrico de las bombas de vacío o de vapor en los eyectores, son muy superiores en un ACC, al igual que la posibilidad de entrada de aire al tener mucho mayor volumen sometido a vacío.
Además, el consumo de agua desmineralizada, debido precisamente a las pérdidas de vapor en el sistema de incondensables, hace que sean inferiores en un ciclo Higroscópico respecto a un ciclo Rankine con aerocondensador (ACC).
Otro factor importante a considerar, es la distancia del tubo de vapor de exhaustación entre la salida de turbina y el absorbedor de vapor (opción HCT), la cual es muy inferior respecto al ACC. Ello contribuye también a tener un menor volumen del sistema sometido a vacío, y también menores pérdidas de carga asociadas.
1.3. Control de la temperaturta de refrigeración
El control de temperatura en un ciclo Higroscópico, debido a los aerorefrigerantes, es más eficiente, seguro, sencillo y fiable que en un ciclo Rankine, lo que facilita menormente la operatividad de la planta
1.4. Compatibilidad
El ciclo Higroscópico es compatible con todas las mejoras del ciclo Rankine tradicional. La caldera, la turbina con sus extracciones, etc…, son los mismos que un ciclo Rankine cuando se trabaja con un HCT de baja concentración salina como es este caso. Por ello puede integrarse en una planta existente y no requiere un esfuerzo extra para el equipo de opera la planta, pudiendo mantener inalterados sus planes de mantenimiento anual e incluso mejorarlos al e liminar muchas tareas asociadas a los sistemas de refrigeración.
1.5. Máxima flexibilidad operativa (muy importante en esta planta)
El ciclo Higroscópico puede trabajar con garantías operativas independientemente de la carga de vapor a condensar, absorbiendo sin problema cualquier fluctuación en la carga independientemente de motivos tales como: modificación del PCI del combustible, soplado de caldera, nubes en una termosolar, variación del caudal y temperatura de los gases de escape en el caso de una recuperación de gases Industriales.
Este punto es de vital importancia en la operativa diaria que llevará la planta. Por ejemplo, en una recuperación de gases, las variaciones del caudal y temperatura harán variar la carga de vapor generada en la caldera y posteriormente turbinada. En un ciclo Rankine con ACC dicha variación de la carga, del vapor de exhaustación, podría originar una alteración brusca en la presión de condensación la cual originaría una parada de turbina por alto o bajo vacío, incluso una grave avería en la misma. Ello se debe a la dificultad de trabajo que presenta un ACC ante variaciones de carga que ocurren en un periodo de tiempo reducido (en menos de 1 min).
Dicha parada de turbina haría perder el vacío en el sistema. Para volver a poner la turbina en operación se estima un tiempo mínimo de 2 h, perdiendo la producción eléctrica en ese tiempo, y teniendo que bypasear los gases de escape a alta temperatura a la chimenea de emergencia, de lo contrario se tendría que perder vapor al ambiente. Este fenómeno es un verdadero problema en plantas con dicho estrés en la carga de vapor, como son las termosolares o plantas de biomasa con cambios bruscos en el PCI del combustible. Además, debemos valorar las fluctuaciones en la carga de vapor a condensar debido al proceso de soplado de caldera.
Estos problemas quedan completamente resueltos con el ciclo Higroscópico, dada la gran flexibilidad operativa que presenta ante cargas parciales, independientemente del periodo de tiempo en el cual se originen, las referencias industriales que tenemos con el HCT han permitido solucionar este problema ante las variaciones de PCI de combustible que presentan las plantas de biomasa.
1.6. Aumenta la vida útil de la planta, la fiabilidad y disponibilidad.
Ello se debe a la propia robustez de los equipos involucrados en la tecnología ciclo Higroscópico frente a los de ciclo Rankine.
El absorbedor de vapor es un depósito cilíndrico con mucho menor volumen que un aerocondensador, para el mismo caudal de vapor a condensar. Además, los aerorefrigerantes por su propia configuración (varios ventiladores de alta eficiencia refrigeran un haz tubular de cobre), presentan también mayor robustez operativa que un ACC o una torre de refrigeración (cada vez que un ventilador de gran tamaño funciona mal o se para, reduce considerablemente la potencia de la planta e incluso puede llegar a pararla). Además, cabe destacar, el aumento de fiabilidad que la incorporación de la tecnología aporta a la planta a altas temperaturas ambientales, evitando disparos o paradas por falta de refrigeración que pudieran originarse en los días más calurosos del año, especialmente a partir de los 25 ºC ambientales.
1.7. Reducción del impacto ambiental.
“Una tecnología que ayudará a conseguir los retos marcados en la cumbre de París de 2015 contra el cambio climático (COP21)”.
Se incrementa el rendimiento eléctrico (mayor kWh producido por kWt, y con ello menores emisiones por kWh producido), se disminuyen los niveles acústicos comparado tanto con torres de refrigeración como con ACC, y se reduce significativamente la huella hídrica en el proceso productivo, debido a la eliminación del consumo de agua de refrigeración, eliminación de los problemas ocasionados por la legionella, y la reducción de vertidos.
Todas estas ventajas hacen del ciclo Higroscópico una tecnología de menor impacto ambiental.
1.8. Mejoras futuras.
Una vez instalado el HCT, la incorporación de más aerorefrigerantes permitiría incrementar el rendimiento eléctrico (menores presiones de condensación podrían obtenerse), disminuir los autoconsumos eléctricos del conjunto, o aumentar la potencia de condensación (posible aumento de la potencia eléctrica de la central).
2. DIFERENCIAS O&M
En este capítulo se detallarán las diferencias de O&M de un ciclo Rankine con aerocondensador (ACC) respecto a un ciclo Higroscópico.
En primer lugar, cabe destacar, que una de las ventajas de la tecnología ciclo Higroscópico respecto a un ciclo Rankine tanto con ACC como con torres de refrigeración, tal como se detalla en el punto 2, es la sencillez en la operación de la planta, así como la disminución de las horas y costes invertidos en el mantenimiento. Dichas conclusiones han sido corroboradas en las 3 referencias industriales de la tecnología ciclo Higroscópico, en Palenciana13 MWe (Córdoba) en operación desde Junio de 2017, Baena 25 MWe (Córdoba) en operación desde 2018 y la planta de recuperación de gases de Industrias Doy (Asturias) de 4 Mwe para EDP. También debemos decir que ahora estamos en fase de ejecución de una implantación en la Cogeneración de Algodonales de 5,5 MWe para Oleícola el Tejar, mismo cliente con el que tenemos las 2 primeras referencias.
En cuanto a la operación se refiere, los lazos de control de la tecnología ciclo Higroscópico están completamente automatizados, trabajando con garantías independientemente de la temperatura ambiente, o la carga de vapor a condensar (muy importante en esta planta). Pero, además, una gran ventaja de nuestra tecnología sobre el resto es que el equipo principal es estático, lo que reduce mucho los problemas de mantenimiento
Los equipos intrínsecos del ciclo Higroscópico son:
- Absorbedor de vapor. Equipo principal del ciclo Higroscópico encargado de condensar el vapor de exhaustación. Este absorbedor de vapor incluye las bombas de vacío de anillo líquido correspondientes para mantener el nivel de vacío, tanto en los arranques como en operación normal. Dichas bombas son más pequeñas (menor consumo) que las existentes en un condensador de superficie o aerocondensador, y debido al propio efecto de conservación de vacío, incluso la tecnología de forma transitoria puede seguir operando aun sin bombas de vacío funcionando. Por otro lado, el volumen de la instalación sometido a vacío es significativamente más pequeño que con ACC, principalmente por la propia naturaleza de los ductos y condensadores (absorbedor frente a aerocondensador).
Es un equipo estático con unas boquillas de pulverización e internos en acero inoxidable, requieren una inspección cada 5 años. El equipo se abrirá una vez al año por la boca de hombre para inspeccionar que todo está pasivado, y no hay ningún objeto en el fondo del mismo.
Las bombas de vacío de anillo líquido llevan el mismo mantenimiento que una bomba centrífuga. Una bomba siempre estaría en reserva.
- Bombas de reflujo de enfriamiento. Su misión es garantizar el reflujo de enfriamiento del absorbedor de vapor y dirigir parte del condensado a las bombas de condensado actuales. El mantenimiento es el mismo que cualquier bomba centrífuga. Siempre se tendrá una bomba de reserva evitando así que la disponibilidad de la planta se vea afectada.
- Aerorefrigerantes. Son intercambiadores de calor donde el fluido a enfriar pasa por un haz tubular de cobre, el cual se refrigera por una corriente de aire impulsada por unos ventiladores de alta eficiencia eléctrica. Se hará una limpieza al menos una vez al año con una Kärcher o similar para eliminar el polvo ambiente. No obstante, en el caso concreto de industrias DOY, dada la atmósfera pesada que la rodea, se aumentará tanto el espesor de aleta como el espaciado entre las mismas para evitar el colmatamiento. Cada batería de aeros avisará en caso de fallo de ventilador/es. Si es un problema de tubos se pararía una batería de aeros para reparar el equipo dañado, con la instalación en funcionamiento, y si es el ventilador no hace falta cerrar la batería. En Palenciana y Baena, la batería de aeros que ya existía antes de incorporar el ciclo Higroscópico, lleva más de 23 años en operación con un mínimo mantenimiento anual.
- Recuperador entálpico. Es un intercambiador de calor de placas de acero inoxidable, cuyo objetivo es precalentar la corriente fría de condensado que se dirige al desgasificador con la corriente caliente de purgas que procede de la caldera y la cual se dirige al absorbedor de vapor para garantizar la condensación higroscópica. Por ello, se produce un aprovechamiento térmico y químico de las purgas de caldera. Estos equipos tienen un mantenimiento sencillo y al tratarse de agua demi aditivada no se prevé ningún tipo de colmatación en el mismo.
En todos los equipos arriba indicados el mantenimiento puede realizarlo el propio personal de mantenimiento de planta, y no se requieren herramientas ni grúas especiales.
A diferencia de un ciclo Rankine con aerocondensador, las labores de mantenimiento en este caso, tanto en horas como en coste, son muy superiores al conjunto de todos los equipos arriba indicados pertenecientes al ciclo Higroscópico. Los motivos son los siguientes:
- El aerocondensador (ACC) se trata de un equipo de gran volumen y peso. El volumen es unas 10 veces mayor que el absorbedor de vapor. Las horas en inspeccionar el equipo son significativamente superiores.
- Se trata de un equipo instalado en altura (más de 15 m). Para acceder a los ventiladores superiores hace falta una grúa de gran tonelaje. Si un ventilador se avería, dado el peso y tamaño del mismo, debe ser retirado por este tipo de grúa, y la planta generalmente debe pararse o bajar significativamente su carga (disminuyendo la potencia eléctrica generada).
- Las reparaciones de los tubos de un aerocondensador son caras dado el tamaño de los tubos y el difícil acceso a los mismos.
- Cuando se producen pérdidas de vacío o entradas de aire se debe llamar a una empresa especialista en fugas de vacío. Se debe parar la instalación y estudiar la entrada de aire. Estos trabajos son costosos, pueden llevar varios días a la planta parada, y la experiencia dice que una vez cada 5 años debe realizarse.
- La limpieza del aerocondensador debida al polvo se debe realizar con equipos de limpieza especiales, con la utilización de químicos, y con grúas de acceso. Es un coste considerable que como mínimo se tendrá que hacer una vez al año.
- Las bombas de vacío asociadas son como mínimos 3 veces más grandes que las bombas de vacío del ciclo Higroscópico.
- En cuanto a la operación, es difícil regular la presión de condensación a cargas parciales, lo que lleva asociado un aumento de indisponibilidad de planta por disparos de turbina.
- Reduce el mapa de riesgos asociados a las labores de operación y mantenimiento con respecto al ACC, pues no se trabaja en grandes alturas, no se tienen que mover cargas suspendidas y se reduce considerablemente el uso de aditivos químicos.
- Aumenta el número de MWh generados con respecto a un ACC como se ve en la figura 1 de la página 4 y por tanto reduce el precio euros/ MWh del OPEX.
En conclusión, nuestra tecnología permite eliminar el problema de la parte de agua de refrigeración dentro de una planta de generación basada en ciclo de Rankine. Esto ayuda mucho a la operatoria de la planta que puede dedicar sus recursos a atender otros asuntos más importantes.
Además, permite mantener mucho tiempo el vacío, lo que se traduce en un aumento de la disponibilidad de planta. En suma, reduce los costes de O&M, pues pasa a cero la parte de operación que conlleva la refrigeración de la turbina.
3. CONTACTO
E-mail: franciscoj.cobos@imasa.com
E-mail: fj.rubio@imasa.com
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