Generación Flexible
¿Como Evitar el Riesgo del Combustible Agua? § Reteniendo Agua en las Represas n Ese es el sistema utilizado, pero no elimina el riesgo. § Aumentando la Cantidad de Usinas Hidroeléctricas n Esto significa inversiones subutilizados y mayor costo. § Aumentando el tamaño de las Represas n Esto significa mayor impacto ambiental y mayor costo. § Diversificando las Fuentes de Generación. n Fuentes Alternativas n Generación Térmica n Inflexibles n Son inútiles para la solución del problema. n Las Térmicas Flexibles son una solución adecuada para este problema. 2
¿ Como Evitar el Riesgo del Combustible Gas? § Utilizando otros Combustibles. n Petroleo, Nuclear, Carbón n Esto significa inversiones mayores. n Existe también el Riesgo de faltar los otros Combustibles. § Utilizando Tecnología Dual Fuel. n Petróleo o Gas n Es siempre posible cambiar de combustible, mismo con las máquinas en operación. 3
¿Que es una Térmica Flexible? § La Térmica Flexible es: n Respaldo de la Hidroeléctrica n Es la llave de la optimización energética. n Multi combustible. n Independiente de la disponibilidad de apenas un combustible. n Utiliza el combustible más barato a todo instante. n Expedita en la: n Construcción e ampliación n menor a 1 año. n Operación n Partidas y paradas rápidas. n Operación como base, peaking, o en emergencias. n Modulación de la Carga n Confiable n Múltiples unidades generadoras n Eficiente n En todas las condiciones de operación. 4
¿Que es una Térmica Flexible? § La Térmica Flexible es: n Económica n Inversiones menores. n Menos intereses durante la construcción. n Gastos fijos menores. n Consume combustible sólo cuando es necesario. n Expansión rápida y en pequeños módulos. n Ambientalmente Correcta n Menor emisión debido a la mayor eficiencia. n Menor Consumo de agua para enfriamiento 5
Confiabilidad 6
La Térmica Flexible es respaldo de la Hidroeléctrica Fonte: ONS 7
Como lidiar con el Riesgo Hidrológico? Antecedentes precipitaciones en los ultimos 50 anos en Brasil Fonte: ONS 8
Costo Anual de una planta flexible Fonte: Stoft, Steven, Power Systems Economics – Designing Markets for Electricity, IEEE Press, 2002 9
¿Cuando una Térmica Flexible es más Económica? 10
¿Cuando una Térmica Flexible es más Económica? 11
Punto de Equilibrio 12
Consumo de Electricidad - Brasil Fonte: ONS 13
Curva de Duración del Consumo de Electricidad 4. 000 MW de Térmicas Flexibles 14
Los 10+ con Generación a Gas Fonte: EIA 15
Los 10+ con generación con Petróleo Fonte: EIA 16
Precios Relativos - USA Fonte: DOE 17
Precios Relativos – Gas, Óleo e Electricidad Fonte: IEA 18
§ ¿ Pero, existen esas tales Térmicas Flexibles? 19
Si, Existen !!!!!!! Son las térmicas con tecnología Wärtsilä 20
Flexibilidad de combustible de los motores Wärtsilä® Bio Diesel HFO-Water Emulsion Palm Oil High Viscosity HFO Orimulsion Rape Seed Oil Petróleo Crudo Gas Natural Óleo Combustible Diesel 1970 1980 1990 2000 21 2004 2010
Motores 46&32 GD Bicombustible Ignición del Gas con combustible piloto Gas en Alta Presión Diesel u Óleo Combustible pueden ser back-up 22
Tecnología GD – Gas/Diesel Principio de Funcionamiento (Ciclo Diesel) Exh. In Entrada del Aire Exh. In Compresión del Aire Inyección del Gas y Ignición del Óleo Piloto 23
Combustible Compartido § Muchas Posibilidades de Combustibles n Combustibles líquidos n Diesel, Óleo Combustible, Petróleo Crudo, etc… n Gas n La cualidad del gas no es critica. § Flexibilidad operacional excepcional n Diversos Modos de Operación en Función de la Disponibilidad de Combustible n Gas n Combustible líquido n Combinaciones de los dos. n Es posible cambiar de combustible en operación n Es posible cambiar la combinación de combustibles en operación 24
Combustible Compartido 25
Referencias GD 26
Tecnología Dual Fuel - DF Principio de Funcionamiento (Ciclo Otto) IN EX * ** ** * * IN EX * Entrada Aire y Gas Compresión del Aire y Gas 27 Ignición del Óleo Piloto
Referencias DF Installation Country Engines Camis Turkey 4 x 18 V 32 Southampton UK 1 x 18 V 32 Grindsted Denmark 1 x 18 V 32 Videocon India 1 x 18 V 32 Gülle Turkey 1 x 18 V 32 Sempra USA 1 x 18 V 32 Chambersburg USA 4 x 18 V 32 Manisa Turkey 3 x 18 V 50 Barajas Spain 6 x 18 V 32 Salekhard Russia 1 x 18 V 32 Century Power Pakistan 3 x 12 V 32 28
Gas Engines versus GTCC: s Start-up and loading 30
Gas Engines versus GTCC: s Efficiency during start-up 31
Influence of Aging on Performance Gas Engines versus Gas Turbines operating on Natural Gas with minimum amount of starts 32
Influence of Aging on Performance - For Industrial Gas Turbines General Electric Factors Siemens Equivalent Hour Formula Hekv. = Hb + 4 Hp + 1, 5 Hbo + 6 Hpo + 10*starts + 100*trips Hekv. = equivalent operation hours Hb = base load hours by gas fuel Hp = peak load hours by gas fuel Hbo = base load hours by LFO Hpo = peak load hours by LFO Source: GER-3620 J 33
Gas pressure Requerimiento de presión de gas en las turbinas. Las turbinas a gas requieren mayor presión de gas. Para estos ejemplos, una LM 6000 requiere min. ~35 bar (515 psig). Los motores a gas de Wärtsilä gas engines requiere una presión de gas de ~4 bar (59 psig). Para una baja presión de gas disponible (5 bar), Para comprimir gas para una planta de 100 MW LM 6000 de 5 bar to 35 bar requiere approx. 2 MW. La perdida de potencia que corresponde de acuerdo al heat rate se incremente en un 2%! Usando dos compresores a tornillo el costo de la inversión adicional es de aprox. 1, 5 M€. Ademas, el enfriado que se requiere para las turbinas es adicional. Data: LM 6000; MN 80, heating value 35000 k. J/Nm 3, heat rate 2100 Kcal/k. Wh 34
GTCC versus GE operating cost 4000/8000 hours/year cost comparison (10 years) Turbina a Gas Costo de operación § 4000 h Fuel (oil + gas) €/MWh 33. 77 Lube oil €/MWh 0. 25 O & M, including operation €/MWh 6. 59* 3. 88* Interest payments €/MWh 4. 24 2. 12 Repaym. of principal €/MWh 13. 68 6. 84 _____ Total costo €/MWh 58. 54 46. 86 *) Mantenimiento hecho por especialistas del extranjero. § 8000 h § § § § Motor a Gas Costo de operación § Fuel (oil + gas) Lube oil O & M, including operation Interest payments Repaym. of principal €/MWh €/MWh Total cost €/MWh 35 35. 44 0. 63 4. 69 3. 4 3. 19 1. 6 10. 30 5. 15 _____ 53. 24 46. 22
60 MW Gas Power Plant Una planta de energía a gas de 60 MW resulta ser la mejor solución siendo la mas economica calculada en planta base operando con un mínimo numero de arranques y paradas. Para obtener números reales necesitamos contar las curvas de carga, arranques y paradas, envejecimiento, consumo de agua, etc. En casi todos los casos analizados en condiciones reales de operación es mas ventajosa la planta de energía con motores a gas. 36
150 MW Gas Power Plant solution Solución Wärtsilä para una planta a gas dual de 150 MW basada en 9 X 18 V 50 DF Motores a gas en modo ciclo combinado. El motor 18 V 50 DF tiene una alta eficiencia electricay es capaz de funcionar a gas y tambien gasoil o fuel oil. Utilizando la energía de los gases de escape para una producción de vapor para alimentar una turbina a vapor adicional energía cercana al 10 % puede ser producida sin incrementar el consumo de combustible. Los motores son enfriados por radiadores. Usando un condensador de agua fria para la turbina a vapor esto reduce el consumo de agua al minimo. 37
150 MW Gas Power Plant for Pakistan Comparison of the 9 X 18 V 50 DF CC and traditional GTCC solution: Plant type 9 x 18 V 50 DF + ST GE 2 x. Frame 6 B + ST* Gross Output, ISO Net Output 163 MW 159 MW 131 MW 118 MW Net Heat Rate Net Efficiency 7530 k. J/k. Wh 47, 8 % 7500 k. J/k. Wh 48, 0 % Heat rate: Average aging impact Partial load operation Impact of Dry cooling Guaranteed net Heat Rate Net efficiency 0, 5 % 1, 6 % 0, 0 % 7688 k. J/k. Wh 46, 8 % 2, 0 % 3, 2 % 2, 6 % 8085 k. J/k. Wh 44, 5 % Output: Net output after ageing 159 MW 115, 8 MW *) Best GTCC alternative close to 150 MW 38
150 MW Gas Power Plant for Pakistan 9 x 18 V 50 DF CC Power Plant part load performance 39
150 MW Gas Power Plant for Pakistan 150 MW Planta con motores a gas Disponibilidad sobre 93 % Capacidad de producción de energía anticipada Sobre 140 MW disponibles durante 7500 h anualmente 40
150 MW Gas Power Plant for Pakistan Beneficios de 9 x 18 V 50 DF CC solución comparado con CCTG: Bajo heat rate neto según condiciones del sitio. Bajo costo de inversión específico (USD/k. W) según condiciones del sitio. Si el gas se interrumpe por un corto período la planta funcionará a Gasoil. Para largos períodos la planta podrá ser convertida para usar Fuel Oil. El mantenimiento de un motor reduce la potencia de salida de la planta en un 11% mientras que en el mantenimiento de una Turbina de gas reduce la potencia de salida en un 55%. Consumo de agua mínimo. Los motores operan con baja presión de gas sin necesidad de un compresor. El programa de Construccion para una planta de Wartsila es de 12 -15 months mientras que en la cosntrucción de un CC con Turbinas a gas demora de 24 – 26 meses. 41
150 MW Gas Power Plant Concept 42
150 MW Gas Power Plant Concept Section + 19 500 Air Cooled Steam Condenser Engine Hall + 16 600 41800 Exhaust Gas Silencer Exhaust Gas Boiler 11700 29600 110700 43 27600
150 MW Gas Power Plant Concept Section Exh. gas & charge air module Generator duct Cooling Water Expansion Vessel + 11900 Crane 0. 5 Tn Rupture Disc Crane 0. 5 Tn Oilwetted Filter Ventilation Unit (Engine hall) Neutral Point Cubicle Engine Generator Set Ventilation Unit Aux. area Aux. Module LO Separator Unit Pipe Rack Booster Unit 29600 44
150 MW Gas Power Plant Concept Level +7000 Lay-Down Area Ventilation Unit Engine Hall Steam Turbine +3450 +0. 0 0. 5 t Crane Access Plan layout 47700 Level +3000 Level +5400 +1366 Maintenance Water Tank Oilwetted Filter Engine Auxiliary Module Lube Oil Separator Unit Expansion Vessel Booster Unit Ventilation Unit Aux. Area Exhaust gas boiler Boiler Washing Water Tank Heat Recovery System House 45
150 MW Gas Power Plant Concept 50 DF Combined Cycle Plant 159 MW net - Efficiency 47. 8 % net EXHAUST GAS BOILER 1 x ST FROM OTHER BOILERS 405 °C CONDENSER FROM OTHER BOILERS 105°C 150 MWe FEED WATER TANK 9 x 18 V 50 DF 13 MWe ~ 200°C 46
150 MW Gas Power Plant Concept Steam turbine inside the building 47
150 MW Gas Power Plant Concept Plant site layout Black start unit Quard house Administration/ Type B 3 (optional) LO unloading area Fire water tank Switchyard LO-Pump Shelter Fire water container Cooling pipes Utility block LFO Storage tank Engine Hall Stack Lube oil service tank Used LO tank Clean LO tank Sludge tank Cooling pipes Radiators Boilers Administration/ Workshop & Warehouse Type B 3 (optional) 48 Air cooled steam condenser
150 MW Power Plant – Time Schedule 49
Wärtsilä Gas Power Plants Una planta con motores a gas de Wärtsilä es la mas económica en un rango de potencia de 50 a 60 MW también cuando se evalúa el ambiente y las condiciones de operación. Cuando miramos profundamente dentro de las reales condiciones del lugar, el perfil competitivo de una planta con motores a gas puede expandirse muy bien sobre los 150 Mw. 50
Gas Turbine Operation and Maintenance 15 -03 -2018
Influence of Aging on Performance Gas Turbines operating on Natural Gas with minimum amount of starts 52
Influence of Aging on Performance Gas Turbines operating on Liquid fuel 53
GE vs. Equivalent Hours Approach - For Industrial Gas Turbines GE Factors Siemens Equivalent Hour Formula Hekv. = Hb + 4 Hp + 1, 5 Hbo + 6 Hpo + 10*starts + 100*trips Hekv. = equivalent operation hours Hb = base load hours by gas fuel Hp = peak load hours by gas fuel Hbo = base load hours by LFO Hpo = peak load hours by LFO 54
GE vs. Equivalent Hours Approach - For Industrial Gas Turbines Summary of issues affecting maintenance interval Liquid fuel operation has a service factor (SF) 1. 5 for aeroderivatives and 2 for industrial GT, which means that the maintenance interval is divided with a factor 1. 5 respectively 2 Water injection up to 5% affects the maintenance interval with a factor 1. 9 Water injection is used for power increase and emission reduction (same indication for aeroderivative The amount of starts and especially the type of start has a great influence on the maintenance interval. For instance emergency start-ups has a service factor of up to 20. Source: GER-3620 J 55
Influence of the Fuel - For Industrial Gas Turbines 56
Maintenance Interval - For Industrial Gas Turbines Combustion Inspection Short maintenance stop, where the combustor section is checked and some parts are changed Hot section repair (24000 h (or 1200 starts)) In addition to maintenance of the combustor also other hot parts are overhauled, such as the high pressure compressor and turbine • Main overhaul (48000 h (or 2400 starts)) The entire gas turbine is overhauled Part of the loss in power and heat rate is regained Source: GER-3620 J 57
Maintenance Interval - For Aeroderivative Gas Turbines Performance deterioration can be divided into Recoverable and Unrecoverable deterioration The Recoverable part is manly due to fouling of the airfoil surface that can be recovered through online washing or cranksoak wash The Unrecoverable part can’t be recovered through washing and can be seen in the figure on the right Hot section repair (25000 h) High pressure turbine components are replaced 60% of loss recovered Possibility to change parts in high pressure compressor 80% of loss recovered • Main overhaul (50000 h) Comprehensive component restorations throughout the engine 100% of the loss restored Liquid fuel operation faster deterioration. Same percentage in 12500 h. Due to complex technology part of the maintenance is done off site. replacement engine is needed Source: GER-3695 E 58
Maintenance agreements Maintenance cost Typical maintenance cost of a GT is 3 -8% of the investment cost This means for a medium sized industrial type GT approx. 3. 2 €/MWh in a continuous base load application There is only small difference between simple and combined cycle Maintenance agreement issues In order to get reliability improvements the customer needs to have a large safety stock of spare parts To get a lease engine during overhauls off site, the customer must sign a leasing contract with an annual fee (few hundred k$/y) and a weekly fee. 59
Generación Flexible Carlos Alvarez, Wärtsilä Argentina S. A. § SEMINARIO WÄRTSILÄ ARGENTINA S. A. 28 de setiembre 2004 - Hotel Sheraton Pilar
¿Como Evitar el Riesgo del Combustible Agua? § Reteniendo Agua en las Represas n Ese es el sistema utilizado, pero no elimina el riesgo. § Creciendo la Cantidad de Usinas Hidroeléctricas n Esto significa inversiones subutilizados y mayor costo. § Aumentando las Represas n Esto significa mayor impacto ambiental y mayor costo. § Diversificando las Fuentes de Generación. n Fuentes Alternativas n Generación Térmica n Inflexibles n Son inútiles para la solución del problema. n Las Térmicas Flexibles son la mejor solución para este problema. 61
¿ Como Evitar el Riesgo del Combustible Gas? § Utilizando otros Combustibles. n Petroleo, Nuclear, Carbón n Esto significa inversiones mayores. n Existe también el Riesgo de faltar los otros Combustibles. § Utilizando Tecnología Dual Fuel. n Petróleo o Gas n Es siempre posible cambiar de combustible, mismo con las máquinas en operación. 62
¿Que es una Térmica Flexible? § La Térmica Flexible es: n Respaldo de la Hidroeléctrica n Es la llave de la optimización energética. n Multi combustible. n Independiente de la disponibilidad de apenas un combustible. n Utiliza el combustible más barato a todo instante. n Expedita en la: n Construcción e ampliación n menor a 1 año. n Operación n Partidas y paradas rápidas. n Operación como base, peaking, o en emergencias. n Modulación de la Carga n Confiable n Múltiples unidades generadoras n Eficiente n En todas las condiciones de operación. 63
¿Que es una Térmica Flexible? § La Térmica Flexible es: n Económica n Inversiones menores. n Menos intereses durante la construcción. n Gastos fijos menores. n Consume combustible sólo cuando necesario. n Expansión rápida y en pequeños módulos. n Ambientalmente Correcta n Menor emisión debido a la mayor eficiencia. n Menor Consumo de agua para resfriamiento. 64
Confiabilidad 65
La Térmica Flexible es respaldo de la Hidroeléctrica Fonte: ONS 66
Como lidiar con el Riesgo Hidrológico? Antecedentes precipitaciones en los ultimos 50 anos en Brasil Fonte: ONS 67
Costo Anual de una planta flexible Fonte: Stoft, Steven, Power Systems Economics – Designing Markets for Electricity, IEEE Press, 2002 68
¿Cuando una Térmica Flexible es más Económica? 69
¿Cuando una Térmica Flexible es más Económica? 70
Punto de Equilibrio 71
Consumo de Electricidad - Brasil Fonte: ONS 72
Curva de Duración del Consumo de Electricidad 4. 000 MW de Térmicas Flexibles 73
Los 10+ con Generación a Gas Fonte: EIA 74
Los 10+ con generación con Petróleo Fonte: EIA 75
Precios Históricos Diésel OCA 1 OCB 1 76
Precios Relativos - USA Fonte: DOE 77
Precios Relativos – Gas, Óleo e Electricidad Fonte: IEA 78
Flexibilidad de combustible de los motores Wärtsilä® Bio Diesel HFO-Water Emulsion Palm Oil High Viscosity HFO Orimulsion Rape Seed Oil Petróleo Crudo Gas Natural Óleo Combustible Diesel 1970 1980 1990 2000 79 2004 2010
Motores 46&32 GD Bicombustible Ignición del Gas con combustible piloto Gas en Alta Presión Diesel u Óleo Combustible pueden ser back-up 80
Tecnología GD – Gas/Diesel Principio de Funcionamiento (Ciclo Diesel) Exh. In Entrada del Aire Exh. In Compresión del Aire Inyección del Gas y Ignición del Óleo Piloto 81
Combustible Compartido § Muchas Posibilidades de Combustibles n Combustibles líquidos n Diesel, Óleo Combustible, Petróleo Crudo, etc… n Gas n La cualidad del gas no es critica. § Flexibilidad operacional excepcional n Diversos Modos de Operación en Función de la Disponibilidad de Combustible n Gas n Combustible líquido n Combinaciones de los dos. n Es posible cambiar de combustible en operación n Es posible cambiar la combinación de combustibles en operación 82
Combustible Compartido 83
Referencias GD 84
Tecnología Dual Fuel - DF Principio de Funcionamiento (Ciclo Otto) IN EX * ** ** * * IN EX * Entrada Aire y Gas Compresión del Aire y Gas 85 Ignición del Óleo Piloto
Referencias DF Installation Country Engines Camis Turkey 4 x 18 V 32 Southampton UK 1 x 18 V 32 Grindsted Denmark 1 x 18 V 32 Videocon India 1 x 18 V 32 Gülle Turkey 1 x 18 V 32 Sempra USA 1 x 18 V 32 Chambersburg USA 4 x 18 V 32 Manisa Turkey 3 x 18 V 50 Barajas Spain 6 x 18 V 32 Salekhard Russia 1 x 18 V 32 Century Power Pakistan 3 x 12 V 32 86
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