Una solución de turbina de gas permite a una central eléctrica china reducir las emisiones de NOx

Los gobiernos de todo el mundo están tomando medidas enérgicas contra las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx), no sólo para el transporte, sino también para las turbinas de gas, y los operadores tienen que invertir en equipos para cumplir con estándares cada vez más estrictos.

Para garantizar que una central eléctrica de ciclo combinado de 500 MW en Tongzhou, China, pudiera cumplir con la nueva legislación, Sulzer diseñó un sistema de ajuste automático de combustión (CATS) personalizado, escribe Lucas How.

La solución avanzada de circuito cerrado ha evitado los grandes gastos de capital y los largos plazos de entrega de la desnitrificación de los gases de combustión y las actualizaciones de los quemadores, al mismo tiempo que garantiza la eficiencia de las turbinas de gas mediante el equilibrio de parámetros clave en la operación.

En 2021, la provincia de Jiangsu en China anunció su 'Estándar de emisión de contaminantes atmosféricos de turbinas de gas estacionarias', que estipulaba que para marzo de 2023, todas las turbinas de gas de la zona deberán alcanzar un límite de emisión de NOx de 30 mg/m3 (estado estándar, base seca). , 15% O2).

Esto representó un desafío para una central eléctrica en Tongzhou. Se descubrió que la turbina de gas Siemens V94.2 de la planta emitía entre 35 y 45 mg/m3 de NOx durante su funcionamiento normal. Para cumplir con el nuevo estándar de emisiones, estaba claro que la turbina necesitaba una solución de modernización.

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Los operadores de la planta se acercaron a Sulzer, un proveedor global independiente de servicios para equipos rotativos con una herencia incomparable.

Desde una red mundial de centros de servicio especializados, Sulzer ofrece reparaciones y actualizaciones de primer nivel para todo tipo de turbomaquinaria. Con su incesante enfoque hacia la innovación, Sulzer ofrece soluciones líderes en el mercado para satisfacer las demandas operativas modernas de las turbinas de gas. En consecuencia, la empresa era una elección natural para asociarse a la hora de identificar el mejor enfoque para reducir las emisiones.

La primera opción explorada por Sulzer fue la desnitrificación de los gases de combustión. Al igual que en los vehículos diésel que utilizan AdBlue, se introduciría una solución de urea en el flujo de gas para llevar a cabo una reducción catalítica selectiva (SCR), un método bien establecido para reducir las emisiones de NOx.

Sin embargo, como la turbina no tenía instalado este sistema, requeriría un CAPEX de alrededor de 2 millones de dólares y un gasto operativo anual de 685.000 dólares.

Una opción más rentable era actualizar el quemador. Sin embargo, el reemplazo de un cartucho de quemador con bajo nivel de NOx aún equivaldría a un CAPEX de $342 000 y un OPEX anual de $137 000.

Además de ser soluciones de alto costo, ambas opciones tendrían largos plazos de entrega y tiempos de inactividad asociados, lo que no es ideal para una aplicación de generación de energía.

En cambio, Sulzer propuso una solución más avanzada. Al equilibrar los parámetros de combustión dentro de la turbina de gas, fue posible cumplir con el estándar de emisiones.

Esto requeriría un CATS, que podría proporcionar un control dinámico y en tiempo real del proceso. Su función clave sería optimizar la estabilidad de la combustión identificando y reaccionando a los umbrales operativos, manteniendo las emisiones de NOx por debajo del límite legislativo.

Sulzer estimó que un sistema de este tipo podría desarrollarse, probarse e implementarse por unos 685.000 dólares. Las ventajas clave incluyeron un tiempo de respuesta relativamente corto y un OPEX mínimo una vez que el sistema estuvo en funcionamiento.

Antes de poder diseñar el CATS, era importante identificar las características clave de combustión. Esto implicaría recopilar grandes cantidades de datos sobre la combustión de turbinas, la generación de NOx y los controles existentes.

Durante más de seis meses, Sulzer recopiló y analizó decenas de miles de conjuntos de datos operativos de unidades, discerniendo los valores característicos de los umbrales que, si se superan, afectarían la estabilidad de la combustión y las emisiones de NOx. Esto ayudaría a crear el modelo de control al que se adheriría el CATS.

Se llevaron a cabo extensas investigaciones sobre la propia turbina. Como parte de esto, se llevaron a cabo pruebas de ajuste de la combustión en diferentes condiciones operativas, lo que permitió evaluar los parámetros.

A lo largo de todas las pruebas, se realizó un monitoreo continuo de las emisiones de NOx para mostrar cómo ciertos parámetros afectaban las emisiones. La clave era alcanzar el estándar de emisiones sin reducir la eficiencia de la turbina de gas.

Los resultados mostraron que las emisiones de NOx se veían afectadas por la temperatura de combustión, la variabilidad del combustible, la humedad, la temperatura ambiente y un fenómeno conocido como zumbido.

El zumbido se refiere a oscilaciones de presión causadas por inestabilidades de combustión. Para crear un sistema de control automático, todos estos factores deberían medirse mediante sensores.

Estos datos de señal luego requerirían procesamiento y aplicación a los valores de umbral operativo descubiertos durante la investigación. Entonces se podría implementar un modelo de control para una combustión estable, lo que permitiría alcanzar el nuevo estándar de emisiones.

Sobre la base de los hallazgos y el análisis, Sulzer desarrolló internamente el sistema de control modular, llevando a cabo el diseño de la estrategia de control, la configuración de la lógica de control y la verificación de la simulación.

El sistema está diseñado para integrarse perfectamente con el sistema de control actualmente instalado en la turbina de gas. También se implementó una pantalla de datos clave personalizada, que muestra datos de señal de diferentes parámetros, incluidos NOx, zumbidos, calor del gas natural, humedad y temperatura.

La funcionalidad disponible desde la interfaz de control personalizada incluye módulos dedicados para el ajuste automático de combustible, control de estabilidad de la combustión, reducción de emisiones de NOx, control de optimización del rendimiento, función de entrada manual del valor calorífico del combustible, visualización del estado de la función, alarma de alerta y un gráfico histórico.

En funcionamiento, el CATS proporciona control de circuito cerrado, utilizando retroalimentación de los datos de la señal del sensor para mantener los parámetros operativos dentro de los umbrales deseados.

Si algún valor de señal excede el rango deseado, se realizan ajustes dinámicos automáticos para garantizar que se mantengan parámetros clave como emisiones, dinámica de combustión, potencia de salida y eficiencia.

Además, utilizando datos históricos recopilados durante la investigación y la operación, también es posible el control anticipado. Al utilizar modelos para hacer predicciones sobre la estabilidad de la quema en diferentes condiciones, el sistema también puede tomar acciones proactivas para controlar la quema.

Este aspecto del sistema se vuelve más competente a medida que se recopilan datos, recalibrando en consecuencia las características de la turbina individual. Todo esto garantiza que las emisiones de NOx se reduzcan durante el funcionamiento, ya que se evita que la turbina de gas se desvíe hacia condiciones de funcionamiento desfavorables.

En una variedad de cargas, valores caloríficos de gas, humedad y temperaturas ambiente, el CATS pudo generar emisiones promedio por debajo del estándar de 30 mg/m3.

De hecho, desde su instalación, el valor instantáneo más alto de emisiones de NOx de la turbina es inferior a 28,5 mg/m3, con un promedio horario de solo 27 mg/m3, entre un 25% y un 30% menor que el valor promedio de emisiones de NOx en 2020. .

Esto garantiza que la turbina ahora cumpla con el estándar de emisión de contaminantes atmosféricos de turbinas de gas estacionarias que entrará en vigor en la provincia de Jiangsu.

Esta innovadora solución CATS ha proporcionado a la planta de energía un ahorro único en CAPEX de 1,4 millones de dólares, al tiempo que ha generado ahorros en OPEX de más de 41.000 dólares por turbina al año.

El sistema ha reducido las emisiones en 120 toneladas en su primer año de operaciones, desbloqueando ahorros anuales en impuestos al carbono de casi $44,000. Además, el CATS es totalmente aplicable a otros modelos selectos de GT de servicio pesado de Siemens, General Electric y Mitsubishi, lo que garantiza que otras centrales eléctricas de gas y de ciclo combinado puedan alcanzar estas múltiples ventajas.

La profunda experiencia en ingeniería de soluciones e industria de Sulzer ofrece a las plantas de energía la experiencia en turbinas de gas necesaria para lograr un rendimiento de combustión estable y emisiones reducidas de manera confiable y rentable.

Con una solución de control probada y personalizada, las turbinas heredadas se pueden modernizar para alcanzar nuevos estándares de eficiencia, evitando al mismo tiempo los largos plazos de entrega y la inversión necesaria para reemplazar equipos.

A medida que los estándares de emisiones en todo el mundo se vuelven más prescriptivos (una tendencia que continuará), los operadores ahora tienen acceso a una nueva innovación técnica que puede dar nuevo impulso a sus esfuerzos por reducir las emisiones y mejorar la eficiencia.

Lucas How es director de marketing y comunicaciones de Servicios APAC en Sulzer Singapur.