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Powerformer™ en una central combinada de electricidad y calor en Suecia

Powerformer, un alternador de alta tensión radicalmente nuevo El alternador Powerformer aplica una tecnología totalmente nueva para producir electricidad a alta tensión. Con Powerformer no es necesario transformar la electricidad a una tensión superior, como ocurre con los alternadores convencionales. Al prescindir del transformador elevador de tensión, el rendimiento eléctrico de la central es entre 0,5 y 2,0 % superior al de las centrales tradicionales. Powerformer ha re-

Powerformer™, un tipo de alternador radicalmente nuevo desarrollado por

volucionado la tecnología tradicional y es

ABB, ha sido seleccionado para una central de ciclo combinado situada en la

un auténtico hito en la historia de la inge-

localidad sueca de Eskilstuna. Este primer pedido comercial de Powerformer,

niería eléctrica.

hecho por el sector de centrales termoeléctricas, comprende un alternador de

A primera vista, Powerformer tiene el

42 MVA a 136 kV y 3000 rpm. Será conectado a las instalaciones de conmuta-

aspecto de un turboalternador convencio-

ción de 136 kV de forma directa, es decir, sin utilizar transformador alguno

nal refrigerado por aire 3 . De hecho, Po-

para elevar la tensión. Se prevé que el coste de Powerformer durante toda su

werformer utiliza una tecnología sobrada-

vida útil será un 15 % inferior al de los alternadores convencionales.

mente acreditada con las características siguientes:

U

na vez evaluados los análisis del

nistrada por ABB Stal AB, Suecia. La turbi-

coste de la vida útil en los que se compara-

na es del tipo de doble cuerpo, con un mó-

ba globalmente la economía de una central

dulo de alta presión y otro de baja presión.

convencional con la de una central basada

Powerformer, construido por ABB Genera-

•

en la tecnología del alternador Powerfor-

tion AB (Suecia), será accionado en ambos

mer, la compañía eléctrica municipal Eskils-

extremos por los dos módulos de la turbina

tuna Energi & Miljö AB (Suecia) se decidió

de vapor 2 .

por Powerformer para su central de gene-

Entre las razones que han llevado a la

Rotor cilíndrico de 2 polos refrigerado por aire

• • • •

Excitador sin escobillas Soportes de caballete Estator con núcleo laminado Estator con bastidor cilíndrico

Los cables de alta tensión actúan como

ración combinada de energía eléctrica y

compañía eléctrica a decidirse por Power-

devanado del estator

calor (CHP, combined heat and power). La

former se encuentran el alto rendimiento glo-

En Powerformer, los cables de alta tensión

central está siendo construida en la ciudad

bal y la sencillez de la configuración de la

con aislamiento XLPE sustituyen la comple-

de Eskilstuna, a unos 100 km al este de Es-

central, que han sido posibles gracias a lo in-

ja estructura de los conductores de cobre

tocolmo, muy cerca de una central térmica

novador del concepto. Ambos factores in-

aislados, cuadrados, que se usan normal-

para calefacción urbana. Se ha previsto

fluirán favorablemente sobre los costes de la

mente en el devanado de estator de los al-

que entre en servicio el año 2000 y que al-

vida útil de la central CHP de Eskilstuna.

ternadores.

cance la 5.000 horas de funcionamiento

Actualmente se dispone de cables de

anuales 1 .

alta tensión con aislamiento XLPE para hasta 400 kV. Cuando en la década de los sesenta se empezaron a comercializar los

Proyecto CHP para Eskilstuna

Lars Andersson

cables con aislamiento XLPE hubo algunos

La nueva central CHP de Eskilstuna tendrá

Eskilstuna Energi & Miljö AB

problemas iniciales en relación con su fiabi-

una potencia eléctrica de 38 MW y produci-

lidad, debido al insuficiente control de los

rá 71 MW de calor, más otros 15 MW de

Mats Kjellberg

procesos de fabricación. Una vez resueltos

calor que se recuperarán de los gases de

Christer Parkegren

estos problemas, los cables de alta tensión

combustión. Como combustible se utilizará

Torbjörn Sörqvist

con aislamiento XLPE han demostrado so-

biomasa, principalmente residuos foresta-

Annika Karlsson

bradamente su efectividad. Una compara-

les y serrín. El vapor procedente de la cal-

Kåre Gundersen

ción entre los devanados de los alternado-

dera, de 110 MW de potencia nominal, será

ABB Generation AB

res convencionales y los de los cables de

introducido en una turbina de vapor sumi-

alta tensión con aislamiento XLPE deja

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Perspectiva de la central de generación combinada de calor y electricidad (CHP) de Eskilstuna

Diagrama de proceso de la central CHP de Eskilstuna

2

1

claro que en estos últimos se reduce el número de fallos.

1 2 3 4

Caldera Turbina a vapor de alta presión Turbina a vapor de baja presión Powerformer (alternador de alta tensión)

5

Condensadores del sistema de calefacción urbana Precalentadores de baja presión Desgasificador Precalentador de alta presión

6 7 8

La utilización de cables de alta tensión trae consigo algunas importantes ventajas. En primer lugar, la geometría circular del conductor hace posible la existencia de un campo eléctrico uniformemente distribuido, lo cual significa que el material de aisla-

1

miento está sometido a esfuerzos unifor-

2 3

4

mes. En segundo lugar, el cable ha sido proyectado para una intensidad de campo eléctrico de 10 kV/mm, muy superior al valor de 3 kV/mm que pueden soportar los devanados de los modernos alternadores.

5

5

La combinación de estos dos factores permite elevar enormemente la tensión generada.

7 8

6

El uso de cables de alta tensión también garantiza un completo aislamiento del devanado del alternador. Esta configuración reduce al mínimo el peligro de descarga parcial, así como de fallos internos bifásicos y trifásicos.

20

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Alternador Powerformer de 136 kV nominales para la central de generación combinada de energía eléctrica y calor de Eskilstuna

Debido a la mayor tensión generada, la

3

Pérdidas y reactancias

mente entre 97,5 y 98,5 %; en el caso de la

intensidad en el estator es considerable-

Powerformer tiene unas pérdidas del

central CHP de Eskilstuna dicho valor es

mente inferior a la de los alternadores con-

mismo orden de magnitud que un alterna-

98,2 % (Tabla 1).

vencionales. La baja intensidad tiene como

dor tradicional, aunque distribuidas de

Powerformer puede ser diseñado con

consecuencia que las fuerzas mecánicas

modo diferente. Las pérdidas en el cobre,

reactancias del mismo orden de magnitud

que actúan en el devanado frontal también

las pérdidas por dispersión y las pérdidas

que en una configuración tradicional de al-

serán pequeñas y, por tanto, el sistema de

por ventilación son menores, mientras que

ternador con transformador elevador de

refuerzo del devanado frontal será más

las pérdidas en el hierro son mayores. El

tensión. Las intensidades de cortocircuito

sencillo que en un alternador convencional.

rendimiento de Powerformer está normal-

en las instalaciones de conmutación de alta

Sistema de refrigeración Powerformer dispone de dos sistemas de refrigeración, ambos muy usuales y de diseño acreditado. El rotor y los extremos de las bobinas son refrigerados con aire por medio de un sistema cerrado de ventilación que utiliza enfriadores de aire/agua para refrigerar de nuevo el aire. El núcleo del estator es refrigerado por agua mediante tuberías dispuestas axialmente en el mismo. Se puede utilizar agua de refrigeración de calidad normal, ya que el agua permanece a

Tabla 1 Powerformer para la central CHP de Eskilstuna: datos técnicos Potencia Factor de potencia Tensión Velocidad Frecuencia Refrigeración rotor devanado frontal núcleo del estator Rendimiento

MVA kV rev/min Hz

42 0,93 136 3000 50 IC8A1W7 (aire) IC8A1W7 (aire) IC9W7W7 (agua) 98,2 %

un potencial nulo.

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Paquete eléctrico simplificado y más eficiente

Tabla 2 Coste de la vida útil de la central CHP de Eskilstuna Central basada en Powerformer (%) Inversiones Powerformer, 136 kV Alternador, 11 kV Barras e inst. de conmutación, 11 kV Transformador, 11/136 kV Edificio de transformador

Central convencional

Menor número de componentes Los terminales del alternador están conec-

(%)

tados por medio de cables de alta tensión directamente a las instalaciones de conmutación de 136 kV, situadas a aproxima-

100 44 7 26 5

Explotación y mantenimiento Rendimiento, 400 kWe menos de potencia Disponibilidad, 50 horas menos al año Mantenimiento no evaluado Potencia reactiva no evaluada Impacto medioambiental no evaluado

damente 1,3 km de la central CHP. Un interruptor automático de 136 kV realiza la función tradicional de interruptor del alternador, aportando a la compañía eléctrica diversas ventajas 4 :

22 11

• •

No se precisan barras colectoras de 11 kV. No se necesita instalación de conmutación de 11 kV para el alternador.

•

No es necesario transformador elevador de tensión de 11/136 kV.

Total Condiciones:

100 Tipo de interés Horas de funcionamiento Vida útil Evaluación pérdidas

115 6% 5000 anuales 20 años 25 $/MWh

También se prescinde de cierto número de pequeños componentes como los transformadores de intensidad, los transformadores de tensión y los disipadores de sobretensiones. Como resultado de ello, la central CHP será considerablemente más sencilla que una central convencional. Powerformer dispone de todos los ele-

tensión son, por lo tanto, del mismo orden de magnitud.

Menor impacto medioambiental

Powerformer no necesita transformador

mentos usuales de protección, como son

elevador de tensión, de modo que se ha eli-

la protección contra sobretensiones, la

minado el problema que representaba el

protección del alternador y la protección

aceite –varias toneladas– del depósito del

de los cables. Para la puesta a tierra, Po-

transformador. Lo mismo ocurre con los

werformer utiliza la puesta a tierra del sis-

Otra importante ventaja de Powerformer es

sistemas de aislamiento y refrigeración a

tema en las instalaciones de conmutación

que su alto rendimiento reduce el impacto

base de aceite, que eran un peligro poten-

de 136 kV. El neutro del alternador dispone

de la central sobre el medio ambiente. Ade-

cial debido al riesgo de incendio y de fugas

de un disipador de sobretensiones para

más, Powerformer contiene menos subs-

de aceite.

fines de protección.

tancias nocivas. Citemos como ejemplo

Otros factores a tener en cuenta son los

Gracias a su menor número de compo-

que, a diferencia de lo que sucede en los

campos eléctricos y magnéticos, más pe-

nentes, la central de Eskilstuna necesitará,

alternadores convencionales, en Powerfor-

queños, que hacen más seguro el entorno

previsiblemente, menos mantenimiento.

mer no se utilizan resinas epoxídicas para

de la central.

impregnar las bobinas del estator. Mejor rendimiento y fiabilidad Al prescindir de las barras colectoras del alternador, de la instalación de conmutación del alternador y del transformador eleTabla 3 Powerformer para centrales térmicas (intervalo de potencias 20-200 MW)

vador de tensión, las pérdidas se reducen

Potencia Tensión Velocidad Frecuencia Accionamiento

componentes, se espera que la central de

MW 20–200 kV 25–250 rev/min 3000/3600 Hz 50/60 Turbina de vapor/turbina a gas Accionamiento unilateral/accionamiento bilateral

en aproximadamente 400 kW. Sin dichos Eskilstuna tenga unas 50 horas anuales más de disponibilidad que una central convencional. Pero no sólo se reducen las pérdidas activas. Al prescindir del transformador

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elevador de tensión se eliminan las pérdidas de energía reactiva en el mismo, de

136kV

modo que se dispone de más energía

4

136kV 4

reactiva para la red y para responder a la

9

demanda.

3

El aumento de eficiencia tiene además otras dos ventajas; se puede producir más electricidad con la misma cantidad de combustible o, alternativamente, se puede

2

producir la misma cantidad de electricidad consumiendo menos combustible. Cual2

quiera de estas dos opciones tiene venta-

8

jas, desde el punto de vista comercial o

11kV

desde el punto de vista medioambiental.

7

6 1 Reducción del coste de la vida útil en un 15 %

5

Powerformer ha sido desarrollado como respuesta a las exigencias del sector eléctrico, que pretende conseguir más eficiencia en el funcionamiento y en el mantenimiento de las centrales. Powerformer ofrece

unas

prestaciones

técnicas

muy

ventajosas que pueden traducirse en ren-

a

b

tabilidad económica. Eskilstuna Energi & Miljö se decidió por la tecnología Powerformer por su capacidad para generar energía eléctrica de forma rentable y sin perjuicio para el medio ambiente. La compañía eléctrica ha calcu-

Paquete eléctrico, diseño Powerformer™ versus diseño convencional 1 2 3

lado que su inversión quedará amortizada en un plazo de 7 a 10 años.

4 5

Powerformer (alternador de alta tensión) Cable de 136 kV (1,3 km) Interruptor automático de 136 kV (actúa como interruptor del alternador) Barra de 136 kV Alternador convencional de 11 kV

6 7 8 9

4

Interruptor automático del alternador de 11 kV Barra de 11 kV Transformador elevador de tensión de 11/136 Interruptor automático de 136 kV

Los análisis realizados por la compañía eléctrica mostraron que el coste de una central basada en Powerformer, a lo largo de toda su vida útil, será 15 % inferior al de una central convencional (Tabla 2). Dichos

mente para diversas aplicaciones, puede

Autores

análisis han tenido en cuenta los costes

suministrarse actualmente para centrales

Lars Andersson

de inversión, el tipo de interés y otros fac-

hidráulicas y térmicas. En el caso de las

Eskilstuna Energi & Miljö AB

tores.

centrales térmicas, Powerformer ya está disponible para potencias de entre 20 y

Mats Kjellberg

200 MW con tensiones de entre 25 y 250

Christer Parkegren

Powerformer, disponible para

kV (Tabla 3). El desarrollo continúa con el

Torbjörn Sörqvist

potencias de 20 a 200 MW

objetivo de aumentar tanto la potencia

Annika Karlsson

La característica clave de la tecnología de

como la tensión.

Kåre Gundersen ABB Generation AB

Powerformer es la utilización de cables de

S-721 76 Västerås, Suecia

alta tensión en lugar de un devanado convencional del estator. Esta tecnología

Bibliografía

Telefax: +46 21 41 95 77

puede aplicarse, en principio, en todo tipo

[1] M. Leijon: Powerformer™, una máqui-

E-mail:

de máquina eléctrica rotativa. Powerfor-

na rotativa totalmente nueva. Revista ABB

[email protected]

mer, que ABB está desarrollando actual-

2/98, 21–26.

Revista ABB 3/1999

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