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

Proceso

Proceso

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

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).

Unidades de Recuperación de Calor

Tubos rectos Tubos helicoidales

Unidades de Recuperación de Calor

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

Esquema propuesto

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 ileal@imp.mx