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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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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

em /

Pow

er re

-gen

erat

ion

back

to n

etw

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

Ensayo de conjunto ©

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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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Planos©

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Trabajos en sitio Fase 1

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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

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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

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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

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Conclusiones

Reemplazo de turbinas de vapor por accionamientos eléctricos

Buen período de repago

Mejor control del proceso

Mayor rendimiento

Menor mantenimiento