La eficiencia es una prioridad en la central eléctrica de carbón de Caofeidian

La energía del carbón puede estar pasando apuros en algunas partes del mundo, pero le está yendo bien en China. Nuevas plantas están entrando en funcionamiento con tecnología de punta. Dos unidades ultrasupercríticas agregadas en la central eléctrica de Caofeidian muestran una serie de mejoras de eficiencia innovadoras.

Si bien en muchas partes del mundo se están cerrando centrales eléctricas de carbón por razones ambientales o económicas, algunos países asiáticos, entre ellos China, India e Indonesia, están construyendo un gran número de nuevas unidades alimentadas con carbón. De hecho, como señala Mary Hutzler, distinguida investigadora principal del Instituto de Investigación Energética, en su artículo titulado “La recuperación económica de China será impulsada por el carbón”, China tiene planes de construir más de 200 GW de nuevas plantas de generación alimentadas con carbón. capacidad. Esa es casi la misma capacidad que tiene Estados Unidos en toda su flota de carbón existente. Hutzler escribió: “Entre el 1 de marzo y el 18 de marzo de 2020, las autoridades de China permitieron más capacidad de construcción a carbón (7.960 MW) que en todo 2019 (6.310 MW)”. Si a eso le sumamos los más de 1.000 GW de capacidad existente a carbón en China, es fácil suponer que el carbón sigue siendo el rey en el país más poblado del mundo.

Pero las nuevas unidades de China no son la central eléctrica de carbón de su abuelo; la mayoría son unidades ultrasupercríticas (USC) de última generación. Y los ingenieros chinos han estado llevando los límites de la eficiencia a nuevas alturas mediante la investigación y el desarrollo continuos. El proyecto Caofeidian ofrece un buen ejemplo.

“Lo más destacado de este proyecto es que, como recalentamiento único, con una serie de innovaciones, logra una eficiencia neta superior al 46,2% [base del poder calorífico inferior] por debajo del 75% THA [aceptación de calor de la turbina], que es el mejor nivel. de las unidades USC de doble recalentamiento de 1.000 MW existentes por debajo del 100 % de THA en China. Mientras tanto, la inversión total de este proyecto es sólo alrededor del 85% de la de los proyectos de doble recalentamiento”, dijo a POWER Li Li, ingeniero de Shanghai Shenergy Power Technology Co. Ltd..

La central eléctrica de Caofeidian está ubicada en la zona industrial de Caofeidian, a unos 70 kilómetros al sur de la ciudad de Tangshan, provincia de Hebei, China. El proyecto se construyó respetando estrictamente la política de protección ambiental de China; En particular, la instalación se construyó en terrenos ganados al mar y utiliza agua de mar desalinizada para las necesidades de las plantas.

La Fase I, que incluía dos unidades de 300 MW, entró en operación comercial en junio de 2009. La construcción de la Fase II, un proyecto de expansión de 6 mil millones de yenes (857 millones de dólares) que incluía dos unidades USC de 1000 MW, comenzó el 27 de abril de 2016. 3 pasó su prueba de carga completa de 168 horas el 25 de abril de 2019, mientras que la Unidad 4 hizo lo mismo el 9 de junio de 2020.

Las calderas de las Unidades 3 y 4 son calderas USC, de recalentamiento simple, ventilación equilibrada de horno único, eliminación de escoria seca sólida, disposición herméticamente cerrada, tipo pi con estructura totalmente de acero. El fabricante fue Babcock Wilcox Co. Ltd. La presión de salida del vapor sobrecalentado es de 29,3 megapascales (MPa, 4250 psi) y la temperatura de salida es de 605 °C (1121 °F). La presión de salida del vapor de recalentamiento es de 5,945 MPa (862 psi) y la temperatura de salida es de 623 °C (1153 °F).

Las turbinas de vapor fueron fabricadas por Shanghai Steam Turbine Co. Ltd. Son turbinas USC, de recalentamiento simple, de cinco carcasas de turbina con seis escapes, de un solo eje, de tres contrapresiones y de condensación. Los generadores fueron fabricados por Shanghai Electric Generator Co. Ltd., con sistema de excitación, refrigeración por agua de hidrógeno y sistema de aceite de sellado.

El Instituto de Diseño y Estudio de Energía Eléctrica de Hebei realizó todo el trabajo de investigación y diseño del proyecto. Shanghai Shenergy Power Technology Co. Ltd. fue responsable de toda la consulta de diseño de procesos para el proyecto y de la implementación de proyectos relevantes de ahorro de energía. Se seleccionaron otros contratistas para la adquisición y construcción de equipos mediante licitación pública de conformidad con las disposiciones de la ley de licitaciones de China.

Durante el pico de construcción, hubo más de 4.000 trabajadores directamente involucrados en el proyecto. Desde el inicio de la construcción hasta la finalización y operación de las dos unidades el 9 de junio de 2020, el equipo de construcción no informó ningún accidente de producción de seguridad “general o superior”. Se lograron un total de 1.635 días de trabajo de producción seguro.

El proyecto Caofeidian incluyó una serie de tecnologías únicas en su tipo. La turbina de vapor ofrece un ejemplo (Figura 1). Las unidades Caofeidian son las primeras en China en tener cinco carcasas de turbina con seis escapes. Sorprendentemente, la tasa de calor de la turbina de vapor es de 7.146 kilojulios/kWh (6.773 Btu/kWh). El diseño, que incluye un sistema de recuperación de 11 etapas, aprovecha al máximo la baja temperatura del agua de mar en la región, lo que da como resultado una contrapresión ultrabaja de 3,3 kilopascales absolutos (0,48 psia). La tecnología de extracción en aguas profundas también ayuda en el proceso. Al reducir la profundidad de la toma de agua de –5,8 metros (m), que era el diseño original, a –10,0 m, la temperatura del agua de mar se redujo 1,5°C de mayo a junio y 1,8°C de julio a septiembre. La contrapresión reducida proporciona un ahorro estimado en costos de combustible de aproximadamente ¥3 millones ($428,500) por año.

1. Caofeidian fue la primera planta en China en incorporar tres carcasas de baja presión en la turbina de vapor. Cortesía: Shanghai Shenergy Power Technology Co. Ltd.

Las unidades Caofeidian también son las primeras del mundo en incorporar tecnología combinada de frecuencia variable centralizada de bomba de agua de alimentación para equipos auxiliares. En este esquema, la turbina de la bomba de agua de alimentación también acciona un generador de conversión de frecuencia para proporcionar energía de conversión de frecuencia para las máquinas auxiliares integrales, como bombas y ventiladores. Para mejorar el rendimiento, los ingenieros incorporaron una pequeña turbina de vapor Siemens al diseño y equiparon las unidades con embragues de alta velocidad Voith. La tecnología reduce el consumo de energía de la planta en aproximadamente un 2%.

En el proyecto también se utilizó tecnología adicional de ahorro de energía y reducción de emisiones. Los ingenieros realizaron una optimización técnica en profundidad; amplió el modo regenerativo tradicional para incluir en los cálculos el agua, el viento, el carbón y otras fuentes de calor de calderas; y volvió a acoplar la máquina y el horno para garantizar un funcionamiento eficiente con hasta un 40 % de carga. Se agregó un calentador de alta presión para garantizar la estabilidad de la temperatura del agua de alimentación y para resolver problemas durante condiciones de baja carga cuando el sistema de desnitrificación no puede funcionar. Como resultado, la desnitrificación se puede lograr con una amplia carga operativa. Mientras tanto, la instalación de calentadores de aire caliente protege los calentadores de alta presión del sobrecalentamiento y aumenta la eficiencia y la estabilidad de la combustión. Todas las tecnologías pioneras antes mencionadas fueron consultadas o implementadas directamente por Shanghai Shenergy Power Technology.

Como se mencionó anteriormente, Siemens y Voith suministraron equipos desde Alemania para el proyecto. Sin embargo, esto complicó las cosas debido a las políticas y requisitos de documentación chinos. Por ejemplo, la correspondencia relacionada con la instalación y puesta en servicio de la pequeña máquina de vapor Siemens incluía 800 piezas de correo. El director general de la empresa del proyecto tomó personalmente la iniciativa y se creó un equipo de “turbina bebé” compuesto por el propietario, el director de construcción, el traductor, Shenergy Power Technology y Siemens. Todas las partes tuvieron dificultades que superar, lo que provocó que se necesitaran 32 días para completar la depuración y transferencia de la pequeña turbina de vapor de la Unidad 3. En particular, solo tomó 10 días transferir la pequeña turbina a la Unidad 4 debido a las lecciones aprendidas.

El sistema de tuberías del proyecto Caofeidian es más complicado que el diseño de una central térmica convencional. En el sistema de recuperación de 11 niveles hay muchos dispositivos adicionales de extracción y calefacción. Aunque el diseño de los cuatro oleoductos principales se optimizó y revisó continuamente, todavía se produjeron problemas como retrasos en el suministro y colisiones entre oleoductos.

El equipo celebró una reunión especial el 5 de enero de 2018 para solucionar los problemas. Para cuestiones de diseño, se decidió que el ingeniero responsable se desplazaría al lugar y los problemas se solucionarían lo antes posible. Para garantizar el suministro de materiales, se instó al líder del equipo a colocar un intermediario en la fábrica de tuberías de Huadian Jinyuan para vincular la producción, el transporte y la instalación. Poco después de la reunión, se reanudó el levantamiento de los cuatro oleoductos principales en la Unidad 3. “Debido al despliegue temprano, el acuerdo compacto y la implementación en el lugar, la calidad de la construcción y el progreso de los últimos cuatro oleoductos principales fueron controlados y efectivos”, dijo una planta. dijo el líder.

Muchos extranjeros pueden pensar que China tiene estándares de emisiones laxos, pero ese no es el caso. A cada unidad se conecta un precipitador electrostático de alta eficiencia con chimenea circular. El sistema incluye un campo electrostático de cuatro niveles más una placa polar giratoria de un nivel, lo que da como resultado una eficiencia de eliminación de polvo de no menos del 99,95 %. El contenido de polvo a la salida del dispositivo es inferior a 25 miligramos/metro cúbico estándar (mg/Nm3).

El proyecto Caofeidian logra una eficiencia de desulfuración superior al 99,2 % y una eficiencia de eliminación de polvo de más del 75 % en una torre de absorción mediante la adopción de una bandeja de doble capa, un rociador de cinco capas y una tecnología desempañante de alta eficiencia. El sistema cumple con los requisitos de emisiones ultralimpias de China, que son inferiores a 35 mg/Nm3 para SO2 y 10 mg/Nm3 para polvo.

La planta utiliza tecnología de desnitrificación por reducción catalítica selectiva durante una amplia gama de cargas operativas. Con este sistema la eficiencia de desnitrificación es superior al 85% y la concentración de emisiones de NOx es inferior a 45 mg/Nm3. Como se señaló anteriormente, el sistema de desnitrificación no se puede utilizar con carga baja, pero ese problema se resolvió con tecnología de regeneración ajustable.

Por último, se construyó una gran instalación de almacenamiento de cenizas utilizando 200.000 toneladas de placas de acero para reemplazar el depósito de cenizas al aire libre. Esto eliminó por completo la contaminación ambiental del depósito de cenizas abierto y salvó alrededor de 400 acres de tierra.

Se dice que Napoleón Bonaparte llamó a China “el gigante dormido”. Cuando se trata de energía a base de carbón, China es un gigante, pero no duerme: el país sigue adelante con nuevas plantas y tecnología innovadora. POWER reconoce el ingenio exhibido en la planta de Caofeidian otorgándole el premio Top Plant 2020 en la categoría de carbón. ■

—Aaron Larson es el editor ejecutivo de POWER.

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