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Ingeniera de combustin

Ingeniera de energa Tecnologa de control de procesos

Tecnologa para la proteccin ecolgica

PLANTAS TRMICAS

PARA GENERACIN COMBINADA DE ENERGA ELCTRICA

Y CALOR KWK

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1. INTRODUCCIN 1.1 General La generacin combinada de energa elctrica y trmica (cogeneracin) ha despertado siempre un fuerte inters para la industria. Esto es particularmente vlido en el rango de hasta 10 MW en el caso de generacin de electricidad y de 10 a 50 MW en el caso de plantas trmicas. El proceso combinado, en sus aspectos bsicos, se conoce desde hace mucho tiempo pero, hasta hace unos pocos aos, no fue posible ponerlo en prctica en una amplia escala. Existieron varias razones para esto, por ejemplo, la desfavorable relacin entre la demanda de electricidad y la de calor, bajo precio para la electricidad sobrante entregada a la red pblica y bajo rendimiento de las turbinas. El sbito aumento de la demanda permiti introducir en el mercado varios conceptos con respecto a estas plantas. Estos rangos van desde simples sistemas de gases de escape hasta complejas y pequeas generadoras de electricidad, dependiendo de las demandas individuales. Como resultado, se han desarrollado plantas trmicas especiales, las cuales son diseadas de acuerdo a varios conceptos de cogeneracin y de forma tal de alcanzar el uso ms eficiente del combustible. Una nueva situacin se ha agregado con la determinacin de niveles mximos permitidos para las emisiones. En estos rangos de potencia, la legislacin slo prescribe valores lmite en forma individual para los componentes de la planta de cogeneracin (turbina de gas, horno de caldera con aire ambiente). Para la planta como un conjunto, fueron desarrollados varios modelos de clculo, pero no se puede esperar una regla general hasta que no se haya acumulado una adecuada experiencia. El concepto de la combinacin en la generacin de electricidad y trmica ha sido extendido a la produccin adicional de electricidad por medio de una turbina de vapor instalada aguas abajo. No obstante esto, el proceso gas-vapor no va a ser tratado en las prximas pginas.

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1.2 Definiciones - Generacin combinada de electricidad y calor (KWK) - Cogeneracin - Proceso combinado Produccin combinada de energa elctrica y energa trmica. - Combustin suplementaria - Quemador de conducto Sistema de quemador que es generalmente instalado en el conducto de evacuacin de gases de la turbina y sirve para elevar la temperatura de los gases de escape a aproximadamente 600 a 800 grados centgrados. Si el combustible utilizado es gas, generalmente se utiliza un quemador tipo pantalla. - Combustin de alta capacidad Sistema de quemador que es instalado sobre el horno de la caldera y se lo opera con los gases de escape de la turbina de gas y/o aire ambiente como agente alimentador de oxgeno. - Rendimiento efectivo del combustible La proporcin de energa til producida por una planta relacionada con la capacidad del combustible introducido. Este mtodo de valuacin no tiene en cuenta el mayor valor de la energa elctrica comparada con la energa trmica. - Prdida de eficiencia de la turbina de gas La eficiencia de la turbina de gas depende de la contrapresin sobre la salida de gases, entre otros factores. Como regla nemotcnica general, se asume una reduccin en la eficiencia de aproximadamente un 1% (absoluto) por cada 10 mbar de contrapresin. - Operacin independiente La capacidad de la turbina de gas es controlada de acuerdo a la demanda de electricidad. Como al caer la capacidad de una turbina de gas se reduce significativamente la eficiencia, este tipo de operacin constituye una excepcin. - Relacin de potencia V Esta es la relacin entre la capacidad del combustible del quemador de alta capacidad y la capacidad del combustible de la turbina de gas. V = 0 corresponde a la operacin exclusiva de la turbina de gas. La mxima relacin de potencia de una planta de cogeneracin sin el suministro adicional de aire ambiente depende del contenido de O2 de los gases de escape de la turbina de gas y esto es aproximadamente V = 2,5 2,8. - Condiciones standard 0 grados centgrados y 1,013 bar como valores de referencia para datos de volumen.

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Abreviaturas: KWK - Ver abajo GT - Turbina de gas GTA - Gases de escape de turbina de gas FL - Aire ambiente i.f. - En gases de escape hmedos i.tr. - En gases de escape secos i.N. - En estado normal, bajo condiciones normales Brst - Combustible Br - Quemador 1.3 Tendencias En general, los requerimientos de calor de las plantas industriales han tendido a disminuir durante los ltimos aos. Esto puede tener su explicacin debido a la amplia cantidad de medidas tomadas para ahorrar energa y para optimizar los procesos industriales. Al mismo tiempo ha habido un considerable incremento en los requerimientos de electricidad, lo cual puede ser atribuido al incremento de la automatizacin industrial.

Desde 1995 los contratos con las compaas proveedoras de electricidad regionales han permitido alcanzar acuerdos ventajosos. Frecuentemente se acuerdan condiciones atractivas para ambas partes contratantes por encima y por debajo de las estructuras de los convenios. No hay reglas generales para la decisin de optar o no optar por una planta de cogeneracin o cul debe ser su tamao. Las circunstancias particulares deben ser examinadas en cada caso individual. As, por ejemplo, la estructura de los tiempos correspondientes a los requerimientos de energa debe ser considerada tanto como la situacin de los precios de la energa. La buena predisposicin para cooperar por parte de las compaas proveedoras de electricidad en la regin es tambin de mucha importancia.

1. EL PRINCIPIO DE COMBINAR ENERGA Y GENERAR CALOR

2.1 Diagrama de Sankey representando la eficiencia en la conversin de energa

El diagrama de Sankey ilustra muy claramente la dimensin y la distribucin del flujo de energa. El proceso bajo consideracin est representado con sus entradas y salidas de energa en la forma de flechas direccionales. El ancho respectivo de los flujos indica la cantidad de energa. Los diferentes arreglos de plantas de cogeneracin pueden ser fcilmente comparados por medio de sus diagramas de Sankey. Para esta comparacin no deben ser mostrados detalles no esenciales, por ejemplo, los flujos internos de la turbina de gas y detalles de los tipos de prdidas individuales. 2.2 Comparacin de la eficiencia en la conversin

2.2.1 Eficiencia en la conversin de energa de una planta con turbina de gas

Una planta con solamente una turbina de gas de una potencia elctrica aproximada de 4 MW de salida, nos da el siguiente diagrama de Sankey (Figura 1).

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Del 100% de la capacidad del combustible slo se produce el 27,5% de energa elctrica. La mayor proporcin es perdida como calor de escape. Esta prdida resulta del diseo bsico de las turbinas de gas y sus consecuentes lmites de carga. As, por ejemplo, la temperatura de los gases de escape despus de la alimentacin de combustible (temperatura de entrada a la turbina) est limitada debido a los materiales con que est construida la turbina. En la prctica, este problema se resuelve con los grandes excesos de aire (el factor de proporcionalidad de aire es aproximadamente de 3 a 4) y limitando la presin final del compresor. Como resultado, hay una relativa gran cantidad de gases de escape con temperatura alrededor de los 500 grados centgrados a la salida de la turbina de gas.

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2.2.2 Eficiencia en la conversin de energa en una planta de cogeneracin con una caldera de recuperacin de calor El rendimiento efectivo del combustible es del 70% aproximadamente en este caso. El enfriado de los gases de escape de la turbina de gas desde 500 grados centgrados hasta aproximadamente 140 grados centgrados, permite recuperar una gran proporcin de calor residual. No obstante, la baja temperatura de los gases de escape que entran a la caldera no permite producciones de vapor de alta presin (Figura 2).

2.2.3 Eficiencia en la conversin de energa de una planta combustionando con aire ambiente

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El rendimiento efectivo del combustible es relativamente alto, aproximadamente 90%. A raz de que el exceso de aire en la caldera est en el rango cercano al estequiomtrico y que los gases de escape tienen una baja temperatura de aproximadamente 140 grados centgrados al salir de la caldera, las prdidas de energa correspondientes son bajas (Figura 3).

2.2.4 Eficiencia en la conversin de energa de una planta de cogeneracin con alta capacidad de combustin Comparando con la planta de cogeneracin con caldera de recuperacin de calor (2.2.2), el rendimiento del combustible es relativamente mayor, hasta 90.5%. Los parmetros de vapor de la caldera pueden ser seleccionados de acuerdo a los requerimientos (Figura 4).

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2.3 Comparacin esquemtica del clculo de la combustin de una planta de aire ambiente con una planta de cogeneracin

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El siguiente diagrama intenta ilustrar la diferencia bsica entre la combustin de una planta de aire ambiente y la combustin de una GTA (gas de escape de turbina). Las cifras mencionadas son para 1 m3 de gas natural en condiciones normales (Figura 5).

2.3.1 Combustin estequiomtrica completa con gas natural y aire ambiente Para la combustin completa de 1 m3 de gas natural seleccionado, se requiere una cantidad mnima de O2 de 1.85 m3. Por lo tanto, con la composicin (simplificada) de 21% por volumen de O2 y 79% por volumen de N2, la cantidad de aire ambiente requerida es de 8.8 m3. Aqu 6.95 m3 debe ser denominado volumen balastro.

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El proceso (terico) de combustin estequiomtrica produce un volumen de gas hmedo de 9.8 m3 con la composicin indicada. El leve aumento en el volumen de N2 resulta del N2 contenido en el gas natural. La entalpa especfica en el gas de escape, asumiendo (tericamente) un sistema sin escape de calor, es calculada dividiendo el total de la energa por el volumen de gas de escape hmedo. Para la temperatura de referencia de 0C la cantidad de calor contenida en el aire ambiente y el gas natural a 20C debe sumarse al valor calorfico del gas natural. La entalpa del gas de escape es, por lo tanto, aproximadamente 3.42 MJ/m3.

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Como en el clculo anterior con aire ambiente se requiere una cantidad de 1.85 m3 si se usa GTA como aire de combustin. Debido al contenido mucho ms bajo de O2 de 14.5% por volumen, se requieren 12.75 m3 de GTA para la combustin de 1 m3 de gas natural. La porcin

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balastro de 10.9 m3 resulta del N2, H2O y CO2 contenidos en el GTA. Esta es 45% mayor que cuando se usa aire ambiente. La diferencia entre el volumen de GTA y el volumen de gas de escape hmedo despus de la combustin es idntica a la diferencia entre el volumen de aire ambiente y el correspondiente volumen de gas de escape hmedo. La cantidad de calor de entrada resultante de la alta temperatura de 500 del GTA y el valor calorfico del gas natural es 26% mayor que en la comparacin con aire ambiente, mientras que la entalpa del gas de escape (3.06 MJ/m3) es 11% ms baja. Dado que la temperatura terica del horno es proporcional a las entalpas del gas de escape calculadas arriba, el menor nivel de combustin del GTA comparado con la combustin del aire ambiente es claramente reconocible. El resultado de esto es, por ejemplo, una produccin menor de NOx. Este efecto tambin puede ser observado en el caso de un quemador de aire ambiente con recirculacin de gas de escape. Sin embargo, la menor temperatura de llama tambin resulta en una considerablemente menor transferencia de calor por radiacin en el horno. Con una caldera esto tiene que ser permitido mediante el ajuste de las superficies de calor de conveccin. La siguiente comparacin entre la combustin del aire ambiente y la combustin del GTA ilustra la ventaja esencial del sistema de cogeneracin. El clculo est basado en los datos dados arriba. La temperatura de gas de escape corriente debajo de la caldera debe ser 140C en ambos casos. El valor calorfico del gas natural est disponible para ambos modos de operacin como una medida de la capacidad del combustible de entrada. Este valor debe ser tomado como el 100%. Para combustin de aire ambiente hay una diferencia negativa de energa de 4.2%, ya que el aire ambiente es alimentado a 20C, mientras que el gas de escape es removido a 140C. La situacin es diferente con combustin de GTA. Dado que la temperatura de entrada del GTA es 500C y la temperatura de salida del gas de escape es 140C, hay una diferencia de energa positiva de +18.7%, an si la cantidad de gas de escape especfico sea relativamente grande. Estas diferencias estn ilustradas en el siguiente diagrama (Figura 7).

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La comparacin entre la planta de combustin de aire ambiente y una planta de cogeneracin hecha ms arriba, slo puede demostrar diferencias en orden de magnitud. Los parmetros esenciales para esta afirmacin son los variados datos individuales del GTA, tales como temperatura, contenido de O2 y volumen. En la prctica tambin los quemadores operan siempre con un exceso de O2. Mientras que este exceso es aproximadamente 5 10% en la operacin con aire ambiente, es aproximadamente 10 200% en la operacin con GTA, dependiendo de la medida y el diseo de la planta de cogeneracin. 3 ESTIMACIN DE LOS DATOS BSICOS PARA UNA PLANTA DE

COGENERACIN Los supuestos simples para las condiciones marginales detalladas ms abajo son adecuados ara la primera estimacin de la proporcin entre el gas de turbina y la caldera. 3.1 Relacin entre la salida de energa elctrica y el volumen de la masa de GTA de las

turbinas de gas El siguiente diagrama ilustra esta relacin con las turbinas de gas comerciales normales en el rango elctrico de 0.3 10 MW.

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La dispersin resulta de las caractersticas especficas de diseo que tambin se reflejan en valores diferentes de eficiencia, la temperatura del GTA y contenido de O2 del GTA.

Para una valoracin adicional se puede seleccionar por aproximacin una conexin lineal entre la energa de la turbina y el volumen de GTA. Dado que la cantidad especfica de gas de escape disminuye cuando aumenta la capacidad de la turbina, se recomienda elegir 3 rangos de energa (hasta 1 MW, 1 3 MW, 3 10 MW). 3.2 Utilizacin del contenido de oxgeno residual en el GTA Criterios particulares de diseo deben ser tomados en cuenta para la planta de combustin aguas debajo de la turbina de gas. As, por ejemplo, la capacidad mxima posible del quemador est limitada por la cantidad de oxgeno disponible en los gases de escape de la turbina de gas si no hay entrada suplementaria de aire ambiente. Por otro lado, el exceso de GTA causa un aumento de la formacin de CO y una reduccin de la estabilidad de la llama. Esto ltimo puede ser mejorado hasta cierto grado adicionando aire ambiente en el rea central de la llama. El contenido de oxgeno del gas de escape aguas debajo de la caldera es una medida de la proporcin entre la capacidad del quemador y la cantidad de GTA. El rango de operacin de alta capacidad de combustin, tomando en cuenta los puntos mencionados arriba, est aproximadamente entre 2% por volumen y 12% por volumen de O2 (en el gas de escape seco). EL agregado de aire ambiente al GTA es posible si el contenido de oxgeno es demasiado bajo. Sin embargo, esto causa una reduccin del campo efectivo de combustible. 3.3 Relacin entre la produccin elctrica y termal de una planta de cogeneracin Los datos siguientes fueron seleccionados como parmetros de entrada:

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Combustible Gas natural (para el GT y la alta capacidad de combustin) Valor calorfico 33.3 MJ/m3 Temperatura del GTA 500C Contenido de O2 en el GTA 14.5% por volumen en el gas de escape hmedo (= 15.38% por

volumen en gas de escape seco) Temperatura del gas de escape de la caldera 140C La capacidad de la caldera generada por el GTA solamente, est indicada en la lnea recta Mximo contenido de O2. Se describen varios parmetros de vapor que ocurren frecuentemente para calcular la cantidad de vapor.

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4 EMISIONES 4.1 Determinacin de los valores lmite de emisin (La siguiente descripcin se refiere a las emisiones de NOx, pero tambin se aplica en principio al CO, etc.).

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Los consejos de supervisin industrial se enfrentan con una situacin relativamente nueva para establecer los niveles permisibles de emisin para plantas de cogeneracin. Los valores para los componentes individuales de una planta de cogeneracin estn definidos en el TA-Luft (Instrucciones Tcnicas para la Prevencin de la Contaminacin del Aire). Los niveles mximos permisibles para las emisiones de NOx, por ejemplo, son como sigue: Combustin con gas natural 200 mg/m3 referidos a 3% O2 i. tr. Planta GT 350 mg/m3 referidos a 15% O2 i. tr. (para un volumen de GTA < 60,000 m3/h = aproximadamente 21 kg/s) 300 mg/m3 referido a 15% O2 i. tr. (para un volumen de GTA > -60,000 m3/h) Sin embargo, no se dispone de las correspondientes cifras para procesos de cogeneracin. Los consejos de supervisin tienen, por lo tanto, preparados varios mtodos de estimacin para este tipo de planta. 4.1.1 Mtodo 1 Los valores lmite del TA-Luft son tomados como base para la planta de combustin y para la planta GT. Los volmenes de NOx as obtenidos para la operacin individual a plena carga son sumados y referidos a la actual cantidad de gas de escape (seco) de la planta de cogeneracin. El contenido de oxgeno de referencia corresponde al valor actual a mxima capacidad. El siguiente ejemplo ilustra este mtodo de clculo: Encendido con gas natural con una capacidad de combustible mxima de 10 MW Volumen de gas de escape aproximado 10,040 m3/h i. N a 3% O2 i. tr. Mxima emisin de NOx 200 mg/m3 a 3% O2 i. tr. Mximo volumen de NOx = 2 x 106 mg/h Planta GT con una capacidad de combustible de 10 MW Volumen de gas de escape aproximado 30,120 m3/h i. N a 15% O2 i. tr. Mxima emisin 350 mg/m3 a 15% O2 i. tr. Mximo volumen de NOx = 10.54 x 106 mg/h

Planta de cogeneracin con la produccin de componentes individuales mencionados arriba, pero GTA en lugar de aire ambiente como transportador de oxgeno Volumen de gas de escape aproximado 31,320 m3/h i. tr. Contenido de O2 aproximado 9.45% por volumen (capacidad de la caldera) Mxima emisin de NOx = 2 x 106 mg/h + 10.54 106 mg/h

-------------------------------------- 31,320 m3/h = 400 mg/m3 a 9.45% por volumen O2 i. tr. = 208 mg/m3 a 15% por volumen O2 i. tr. = 623 mg/m3 a 3% por volumen O2 i. tr.

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4.1.2 Mtodo 2 Los valores de la planta puramente de GT de acuerdo al TA-Luft son usados para las emisiones de plantas de cogeneracin. En comparacin con 4.1.1, los siguientes valores lmite para NOx son permisibles: 674 mg/m3 a 9.45% por volumen i. tr. 350 mg/m3 a 15% por volumen i. tr. 1050 mg/m3 a 3% por volumen i. tr. 4.1.3 Mtodo 3 Los valores lmite de emisin para la planta de combustin y para la planta GT se mencionan en un diagrama arriba del contenido de oxgeno de referencia y estn conectados por una lnea recta. El contenido de O2 actualmente medido en el gas de escape seco aguas debajo de la caldera da el valor lmite para la planta de cogeneracin en la interseccin de la lnea recta. Este mtodo tambin se conoce como la Dsseldorf Rule. Comparado con 4.1.1, este mtodo da la siguiente situacin: 280 mg/m3 a 9.45% por volumen O2 i. tr. 146 mg/m3 a 15% por volumen O2 i. tr. 436 mg/m3 a 3% por volumen O2 i. tr.

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4.1.4 Mtodo 4 Los valores lmite de emisin establecidos en la TA-Luft (Instrucciones Tcnicas para la Prevencin de la Contaminacin del Aire) para la turbina de combustin y de gas son tomados en cuenta de acuerdo con la proporcin de energa de entrada. QBrst;GT x 350 mg/m3 + QBrst;Br x 200 mg/m3 YNOX; KWK = ---------------------------------------------------------------------------------- QBrst;GT + QBrst;Br El mismo procedimiento es usado para determinar el contenido de oxgeno de referencia.

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QBrst;GT x 15% por volumen + QBrst;Br x 3% por volumen YO2;tr;ref. = -------------------------------------------------------------------------------------------------- QBrst;GT + QBrst;Br Usando la proporcin de energa: V = QBrst;Br/QBrst;GT las ecuaciones de arriba pueden escribirse como sigue: 350 + V x 200 YNOX;KWK = ------------------- 1 + V 15 + V x 3 Y02;tr;ref. = -------------- 1 + V Para un valor constante de O2 de referencia de 3% por volumen, se necesita una conversin: 21 - 3 YNOx;KWK;3% O2 = ------------------ x YNOx;KWK 21 YO2;tr;ref. 1050 + V + 600 YNOx;KWK;3% O2 = ------------------------- a 3% O2 i. tr. 1 + V + 3 Este mtodo de clculo fue diseado por NLIS (Instituto Regional de la Baja Sajonia para la Proteccin de Emisiones) para el procedimiento de aprobacin de plantas de cogeneracin en la Baja Sajonia bajo normas de emisin. En este caso, los valores comparativos con 4.1.1 son los siguientes: 265 mg/m2 a 9.45% por volumen O2 i. tr. 138 mg/m3 a 15% por volumen O2 i. tr. 413 mg/m3 a 3% por volumen O2 i. tr. 4.2 Comparacin de los mtodos de clculo y valores empricos En la siguiente tabla se muestra un resumen comparativo de los mtodos mencionados. Para este propsito, el ejemplo del punto 4.1.1 (capacidad de combustible de 10 MW para la GT, capacidad de quemador de 10 MW en la combustin aguas abajo). Valores lmite de emisin para NOx en mg/m3 (en gas de escape seco) Clculo 15% por vol. O2 9.45 por vol. O2 3% por vol. O2 de acuerdo a 4.1.1 208 400 623 4.1.2 350 674 1050

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4.1.3 146 280 436 4.1.4 138 265 413 (contenido actual de O2) La Figura 11 es todava un mejor medio de comparacin. Este diagrama muestra los valores lmite de NOx en los distintos mtodos de determinacin a 3% O2 en gas de escape seco en funcin de la proporcin de energa V (= capacidad del quemador/capacidad de combustible de la GT). La ventaja de este mtodo de presentacin es que no depende de las capacidades absolutas de la GT y la planta de combustin aguas abajo. Por otro lado, la escala de contenido de gas O2 de escape slo se aplica con un contenido de GTA-O2 de 14.5% por volumen y i. f. y 15.38% por volumen i. tr. Los valores de la tabla corresponden a la entrada del diagrama a una proporcin de energa V= 1. En la actualidad los valores lmite no estn establecidos uniformemente, ya que todava se espera un adecuado nmero de medidas de planta. Las primeras experiencias indican que la produccin de NOx en el quemador operando con GTA es comparable en una primera aproximacin con la combustin con aire ambiente y recirculacin de gases de chimenea. Sin embargo, el aumento del contenido de NOx resultante en el GTA sera de mucha menos importancia para mantenerse dentro de los valores lmite de emisin que lo que es la carga bsica de la GT. Con los mtodos de los puntos 4.1.3 y 4.1.4, los lmites establecidos podran ser excedidos muy rpidamente si la carga bsica de NOx est en el rango superior del valor del TA-Luft para turbinas de gas. Emisiones de NOx de una planta de cogeneracin independiente de la medida de la proporcin de energa V 1,050 mg/m3 a 3% O2 (correspondiendo a los valores lmite de 350 mg/m3 a 15% O2 para plantas de GT puras establecido en el TA Luft (Instrucciones Tcnicas para la Prevencin de la Contaminacin del Aire).

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1. Emisin de NOx de la planta de cogeneracin independientemente de la proporcin de

energa V 1,050 mg/m3 a 3% O2. (correspondiente al valor lmite de la TA-Luft para plantas puramente de GT de 350 mg/m3 a 15% O2)

2. Emisin de NOx de la planta de cogeneracin basada en los valores lmite de emisin de la

TA-Luft para los componentes individuales (GT: 350 mg/m3; Quemador: 200 mg/m3) 3. Actual emisin de la planta de cogeneracin cuando se usa el mximo nivel de generacin de

NOx por e la GT (350 mg/m3 a 15% O2) permitido por las instrucciones de la TA-Luft sin produccin adicional de NOx por el quemador

4. Valor lmite de emisin de NOx de acuerdo a NLIS (Instituto Regional de la Baja Sajonia

para la Proteccin de Emisiones) 5. Regla de Dsseldorf 6. Contenido NOx del gas de escape en mg/m3 a 3% O2 en gas de escape seco

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7. Contenido de O2 del gas de escape en % por volumen en gas de escape seco 8. Qquemador

V = ---------------- Qcombustible/GT

5 CONCEPTOS BSICOS DE LA PLANTA El mercado dispone de plantas de cogeneracin con varios conceptos. Las diferencias estn principalmente del lado de la generacin de calor, que est localizado corriente debajo de la generacin de electricidad. Los distintos arreglos descriptos aqu permiten un sistema de cogeneracin que corresponda idealmente a los requerimientos individuales. 5.1 Turbina de gas con caldera de prdida de calor pero sin combustin suplementaria El principio ms simple de la planta de cogeneracin se basa netamente en una funcin del intercambiador de calor por medio de una caldera de prdida de calor situada aguas debajo de la GT (vea tambin 2.2.2). Si se usa una caldera de vapor para este propsito, los lmites de los parmetros de vapor (temperatura, presin) son determinados por la temperatura de los GTA. El generador de calor slo puede ser controlado a travs de un conducto by-pass. Si la GT falla, la caldera tambin deja de operar.

5.2 Turbina de gas con caldera de prdida de calor y combustin suplementaria (quemador de conducto) La utilizacin de calor por los GTA es por medio de una caldera de prdida de calor, como en 5.1. Sin embargo, la temperatura del gas de escape sube hasta aproximadamente 600 800C con la ayuda de la combustin suplementaria en el conducto antes de la caldera. De acuerdo a los requerimientos, puede seleccionarse un generador de calor con una mayor capacidad que el del punto 5.1. Dado que la diferencia temperatura promedio es tambin ms alta, el requerimiento de superficie especfica de calor es menor. La combustin suplementaria es en la mayora de los casos un sistema de quemador de parrilla de gas. La ventaja es la muy baja prdida de presin (aproximadamente 1 mbar), pero la desventaja es la limitacin del material usado para los elementos de calor. Este lmite es aproximadamente 800 900C a la salida del horno. El conducto de los GTA es a menudo provisto de un recubrimiento cermico en este rango de temperatura. Si la GT falla, es posible una operacin de emergencia limitada con aire ambiente.

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5.3 Turbina de gas con caldera y combustin de alta capacidad En este caso el generador de calor est equipado con una combustin de alta capacidad que es operada con GTA como transportador de oxgeno. La capacidad mxima del quemador no est limitada por la temperatura del horno como in el punto 5.2 pero depende del O2 suministrado por los GTA. La capacidad puede incrementarse adicionando aire ambiente. Con este diseo, los GTA son alimentados continuamente a travs de la caldera. Para ofrecer el mayor control posible, se requiere un by-pass dentro del quemador. Durante la operacin a baja carga el exceso de GTA fluye a travs del by-pass. Si la GT falla, el quemador todava puede ser operado con aire ambiente cerrando las vlvulas de by-pass. La prdida de presin del quemador durante la operacin con GTA es aproximadamente 10 mbar.

5.4 Turbina de gas con sistema intercambiador de calor aguas abajo y subsecuente caldera con combustin de alta capacidad Los GTA fluyen a travs de un intercambiador de calor antes de entrar en la combustin de alta capacidad. En la baja carga del quemador los GTA excedentes son alimentados a travs de un by-pass de caldera para una mejor utilizacin por el economizador. La baja temperatura de los GTA permite el uso de un conducto y materiales de quemador de bajo costo. Lo que es ms, el quemador mismo es ms pequeo debido al ms bajo flujo efectivo y el by-pass de la caldera. El intercambiador de calor aguas debajo de la GT es en principio una superficie de calentamiento de caldera, ya que est conectado a la caldera del lado del agua y, si corresponde, tambin del lado del vapor. El concepto de la figura 15 se basa en una prdida de presin del quemador tan pequea como sea posible (aproximadamente 10 mbar), mientras que en el croquis de la Figura 16 una parte de la resistencia del sistema es compensada por un ventilador adicional. Ambos sistemas son adecuados para operacin netamente con aire ambiente en el caso de que la GT falle.

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Una cada en la temperatura de los GTA causa una reduccin aproximadamente igual en la temperatura del horno, lo que tiene la ventaja de que se produce menos NOx.

6 PLANTAS INSTALADAS 6.1 Sistema 1 (Stver/Aldrup-Wildeshausen) 6.1.1 Especificaciones SUPLEMENTO I 6.1.2 Caractersticas de la planta Modos de operacin: - operacin con prdida de calor con GTA (quemador en stand-by) - operacin con gas natural con GTA - operacin con diesel oil con GTA - operacin con gas natural con FL - operacin con diesel oil con FL Sistema de control: - control de carga de la caldera con control elctrico de proporcin de combustible/O2 y

conexin de O2 para operacin con FL - control de presin diferencial para el by-pass de GTA en el quemador 6.1.3 Configuracin de la planta:

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STVER/WILDESHAUSEN Tipo de turbina de gas : Solar Centaur H (Especificaciones a 15C de temperatura de aire) Energa elctrica : 3.75 MW Capacidad del combustible : 13.5 MW Flujo de la masa de gas de escape : 17.5 kg/h Temperatura del gas de escape : 520C Contenido de oxgeno : 14.8% por volumen Tipo de caldera : Caldera acuotubular Blohm & Voss Energa neta : 23 MW en operacin con GTA : 23 MW en operacin con FL Capacidad del vapor : 35 t/h en operacin con GTA : 35 t/h en operacin con FL Vapor saturado : 20 bar/215C Temperatura del gas de chimenea : 140C Tipo de quemador : Quemador combinado SAACKE modelo SKVG-250 GT Nmero de quemadores : 1 Combustible : gas natural : diesel oil Capacidad del quemador : 15.9 MW en operacin con GTA (+ 9.9 MW por medio de los gases de escape de los GTA) : 24.4 MW en operacin con FL Prdida de presin : aprox. 10 mbar en operacin con GTA Proporcin de O2 : 2.65 10 en operacin con GTA 6.2 Planta II (Uniferm/Monheim) 6.2.1 Especificaciones SUPLEMENTO I 6.2.2 Caractersticas de la planta Modos de operacin: - operacin con prdida de calor con GTA (quemador en stand-by) - operacin con gas natural con GTA (slo quemador GTA) - operacin con gas natural con FL (slo quemador FL) - operacin con gas natural con GTA (quemador GTA y FL) Sistema de control:

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- control de carga de la caldera con conexin de la carga de la turbina en operacin independiente y conexin y desconexin automtica del quemador de FL si aumentan o fallan los requerimientos de calor

- control de presin diferencial para el by-pass de GTA en el quemador 6.2.3 Configuracin de la planta:

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UNIFERM/MONHEIM Tipo de turbina de gas : Ruston TA 1500 (turbina de doble eje) (Especificaciones a 20C de temperatura de aire) Energa elctrica : 1.1 MW Capacidad del combustible : 8.0 MW Flujo de la masa de gas de escape : 10.8 kg/h Temperatura del gas de escape : 485C Contenido de oxgeno : 15% por volumen Tipo de caldera : Caldera acuotubular Lentjes Energa neta : 21 MW en operacin con GTA : 21 MW en operacin con FL : 42 MW en operacin con GTA & FL Capacidad del vapor : 25 t/h en operacin con GTA : 25 t/h en operacin con FL : 50 t/h en operacin con GTA & FL Vapor sobrecalentado : 62 bar/510C Temperatura del gas de chimenea : 130C Tipo de quemador : Quemador SAACKE modelo DDT 12 GT para GTA : Quemador SAACKE modelo DDT 12 para FL Nmero de quemadores : 1 para operacin con GTA : 1 para operacin con FL Combustible : gas natural Capacidad del quemador : 17.1 MW quemador GTA (+ 5.6 MW por medio de los gases del GTA) : 24.4 MW quemador FL Prdida de presin : aprox. 8 mbar quemador GTA Proporcin de O2 : 1.5 13.6 quemador GTA 6.3 Planta III (Jagenberg paper factory/Solingen) 6.3.1 Especificaciones SUPLEMENTO III 6.3.2 Caractersticas de la planta Modos de operacin: - operacin con prdida de calor con GTA - operacin con gas natural con GTA - operacin con gas natural con FL Sistemas de control:

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- control de carga de la caldera con control mecnico de proporcin de combustible/O2 - reduccin automtica de la carga de la turbina si el requerimiento cae por debajo de la carga

mnima del quemador y viceversa - control de presin diferencial del quemador en operacin con GTA y FL. Las diferencias de

los datos operacionales del FL y del GTA son compensadas junto con la abertura adicional del quemador (slo abierta en operacin con GTA) y el sistema de control compound mecnico reversible

6.3.3 Configuracin de la planta

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JAGENBERG PAPER FACTORY/SOLINGEN Tipo de turbina de gas : Solar Centaur H (Especificaciones a 15C de temperatura de aire) Energa elctrica : 3.75 MW Capacidad del combustible : 13.5 MW Flujo de la masa de gas de escape : 17.5 kg/h Temperatura del gas de escape : 520C Contenido de oxgeno : 14.8% por volumen Tipo de caldera : Caldera acuotubular Omnical Energa neta : 14.4 MW en operacin con GTA : 6.8 MW en operaci n con FL Capacidad del vapor : 22 t/h en operacin con GTA : 10.4 t/h en operacin con FL Vapor saturado : 10 bar/185C Temperatura del gas de chimenea : 150C Tipo de quemador : Quemador SAACKE modelo SG 80 GT Nmero de quemadores : 1 Combustible : gas natural Capacidad del quemador : 7.3 MW en operacin con GTA

(+ 9.9 MW por medio de los gases de escape de los GTA) 7.3 MW en operacin con FL Temperatura de los GTA corriente arriba del quemador : 200C Prdida de presin : aprox. 20 mbar en operacin con GTA Proporcin de O2 : 1.1 1.35 en operacin con GTA 6.4 Planta IV (Varel cardboard factory/Varel) 6.4.1 Especificaciones SUPLEMENTO IV 6.4.2 Caractersticas de la planta Modos de operacin: - operacin con gas natural con GTA - operacin con gas natural con FL - operacin con gas natural con GTA y FL suplementario Sistemas de control: - control de carga de la caldera con control elctrico de la proporcin de combustible/O2 y

conexin de O2 en operacin con GTA y FL

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- control de la velocidad del ventilador para operacin con FL y FL suplementario - control de vlvula de by-pass de la caldera para operacin con GTA - control de presin diferencial para abertura extra del quemador en operacin con GTA - monitoreo independiente de la proporcin de combustible/O2 para todos los modos de

operacin - cambio de modo de operacin sin parar los quemadores 6.4.3 Configuracin de la planta

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VAREL CARDBOARD FACTORY/VAREL Tipo de turbina de gas : Solar Centaur H (Especificaciones a 15C de temperatura de aire) Energa elctrica : 3.75 MW Capacidad del combustible : 13.5 MW Flujo de la masa de gas de escape : 17.5 kg/h Temperatura del gas de escape : 520C Contenido de oxgeno : 14.8% por volumen Tipo de caldera : Caldera acuotubular Baumgarte Energa neta : 35 MW en operacin con GTA : 35 MW en operacin con FL Capacidad del vapor : 45 t/h en operacin con GTA : 45 t/h en operacin con FL Vapor saturado : 64 bar/450C Temperatura del gas de chimenea : 130C Tipo de quemador : Quemador SAACKE modelo SG 180 GT Nmero de quemadores : 2 Combustible : gas natural Capacidad del quemador (total) : 28.4 MW en operacin con GTA

(+ 9.9 MW por medio de los gases de escape de los GTA) Temperatura de los GTA corriente arriba del quemador : 360C Prdida de presin : aprox. 10 mbar en operacin con GTA Proporcin de O2 : 1.3 2.0 en operacin con GTA