XVIII.- CALDERAS, SOBRECALENTADORES
Y RECALENTADORES
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Los componentes de un generador de vapor moderno se disponen para absorber eficientemente el
calor de los productos de la combustión y para suministrar vapor a la presión, temperatura y gasto másico
especificados; comprenden la caldera, sobrecalentador, recalentador, economizador y calentador de
aire; éstos equipos se complementan con sistemas separadores
de salida del vapor.
El conjunto de la caldera se divide en dos partes: el hogar y el paso de convección.
agua-vapor y para el control de la temperatura-
agua y vapor, y donde se refrigeran los productos obtenidos en el proceso, hasta lograr la temperatura adecuada de los humos
a la salida del hogar
- El paso de convección está conformado por bancos de haces de tubos que configuran el sobrecalentador, el recalentador,
el banco de caldera y el economizador
El hogar es un amplio volumen abierto en el que tiene lugar la combustión, con paredes de cerramiento refrigeradas porNormalmente, al paso de convección le sigue el equipo recuperador o calentador de aire.
La caldera incluye:
las paredes de cerramiento del hogar
el calderín de vapor y el equipo separador vapor - agua
el paquete tubular del banco de caldera
las tuberías de interconexión (bajantes, alimentadoras y ascendentes)
XVIII.1.- CALDERAS DE VAPOR
Aunque el término caldera comprende el sistema total de generación de vapor, el concepto superficie
de caldera excluye la del economizador, la del sobrecalentador, la del recalentador y la de cualquier
otro componente que no esté comprendido en el propio sistema de circulación
superficie de la caldera es el conjunto de tubos, calderines y recipientes que forman parte del sistema de
circulación de la mezcla
Las calderas se pueden clasificar en tres grandes grupos:
agua-vapor; por lo tanto, laagua-vapor, y que están en contacto con los gases calientes.De vasija
De tubos de humos o pirotubulares
De tubos de agua o acuotubulares
Las calderas modernas de elevada capacidad, potencia y presión, son siempre acuotubulares; en
ellas, los flujos de agua y vapor circulan por el interior de los tubos, mientras que los gases calientes lo
hacen por el exterior.
El sistema de circulación de la caldera está constituido por tubos, colectores y calderines, conectados
de forma que el flujo de agua que circula para generar el vapor, refrigere a la vez todos los compo-
XVIII.-525
nentes. La caldera acuotubular ofrece una mayor versatilidad en la disposición de sus componentes, lo
que facilita un aprovechamiento más eficiente del hogar, del sobrecalentador, del recalentador y de todas
las superficies termointercambiadoras.
El tamaño de la caldera depende de la producción de vapor, desde
1000 a 10.000.000 lb/h
0,13 a 1260 kg/s
, y presiones
desde 1 atm hasta valores superiores a la crítica.
La configuración de la caldera viene determinada por:
- El sistema de combustión
- El combustible
- Las características de la ceniza
- La presión de operación
- La capacidad de generación de vapor
, viniendo
indicadas las diversas configuraciones en las Fig XVIII.1 a 5.
Fig XVIII.1.- Caldera industrial de hogar integrado para quemar aceites y gases
CALDERAS INDUSTRIALES DE PEQUEÑA POTENCIA
Caldera con hogar integrado.-
quema aceite y gas, Fig XVIII.1. Para bajas potencias se puede montar completamente en taller y enviarla
luego hasta su lugar de destino; como quema combustibles limpios, no hay necesidad de prever
medios para la captación de cenizas o para la limpieza de superficies termointercambiadoras.
Para lograr la potencia de vaporización, la superficie termointercambiadora está constituida por
un banco tubular configurado por tubos poco espaciados entre sí, que se extienden entre un calderín de
vapor superior y otro inferior.
Es una caldera modular de baja presión, tiene dos calderines yCaldera Stirling.-
controlada, diseñada para la combustión de maderas con alta humedad, y de biomasa, Fig XVIII.2; está
dotada de un sistema de parrilla mecánica (hogar mecánico) y de un banco de caldera con gran superfi-
Consta de dos calderines, y está dotada de un hogar con zona de combustiónXVIII.-526
cie de generación de vapor.
Otros diseños singulares incluyen calderas
de lecho fluidificado
de recuperación de calor de procesos
para obtener energía de las basuras
Fig XVIII.2.- Caldera energética Stirling de dos calderines con hogar mecánico para quemar cortezas
GRANDES CALDERAS ENERGÉTICAS
Las Fig XVIII.3 y 4 representan variantes de caldera radiante, para sistemas de generación de vapor
en caldera con calderín y circulación natural.
La de la Fig XVIII.3, tipo Carolina, quema carbón pulverizado en lecho suspendido:
- Tiene un flujo de gases descendente en el paso posterior de convección
- Minimiza la altura del generador de vapor
- Incluye sopladores para la limpieza de las superficies termointercambiadoras
- Incluye medios para la captación de la ceniza
La Fig XVIII.4 corresponde a una configuración de caldera radiante tipo El Paso, que quema aceite
y gas; es una unidad muy compacta, debido a los combustibles relativamente limpios que utiliza, lo que
minimiza la superficie de la planta; se pueden prever medios selectivos para la limpieza del equipo.
Las calderas de presión universal diseñadas para proceso directo (flujo de paso único), pueden ser
de presiones supercríticas o subcríticas. La Fig XVIII.5 es una unidad de presión supercrítica de 1300
MW que quema carbón pulverizado y utiliza tubos verticales en las paredes del hogar; estas calderas se
suministran con simple o doble recalentamiento y se construyen con estanqueidad del lado de los gases.
Las paredes, suelos y techos son de cerramiento total refrigerados por agua, y están configurados
mediante paneles membrana completamente soldados.
El diseño de la circulación en una unidad de proceso directo elimina la necesidad de incorporar un
calderín de vapor; los múltiples circuitos del flujo que circula minimizan los desequilibrios de temperatura
que se pueden originar como consecuencia de un aporte calorífico no uniforme entre diversos puntos
XVIII.-527
de la periferia del hogar.
Existen diseños de presión universal de proceso directo para presiones subcríticas, con hogares que
disponen de una circulación del fluido de trabajo
agua-vapor, en espiral.Fig XVIII.3.- Caldera radiante tipo Carolina, para quemar carbón pulverizado; 2950 psig (203,4 bar), 1005ºF (541ºC),
4.900.000 lb/h (617 kg/seg)
DISEÑO DE CALDERAS-
El diseño de calderas modernas está influenciado por:- La eficiencia de la caldera y del ciclo térmico
- La fiabilidad y los costes de inversión y de operación
- La protección medioambiental
Todas las unidades comparten un determinado número de elementos fundamentales, sobre los que
se basa el diseño para cada ubicación y aplicación.
La evaluación de una caldera comienza por la identificación de las necesidades globales de la aplicación,
que se relacionan en la Tabla XVIII.1, las cuales se seleccionan mediante un proceso iterativo, que
tiene en cuenta:
- La inversión
- El coste de operación (especialmente de combustible)
- Las necesidades de vapor
- La experiencia de operación
Para evaluar la caldera, el diagrama
presión y recalentamiento simple, facilita una importante información para el diseño de la unidad.
temperatura-entalpía, Fig XVIII.6, para una unidad de altaXVIII.-528
Tabla XVIII.1.- Especificaciones empíricas para el diseño de calderas
ESPECIFICACIÓN COMENTARIOS
Utilización del vapor Valores de caudal, presión y temperatura.
Para calderas de servicio público, para determinado ciclo energético y
para el balance térmico de la turbina
Tipo y análisis de combustible Características de combustión, ensuciamiento y escorificación, análisis de ceniza, etc.
Suministro de agua de alimentación Procedencia del agua, análisis y temperaturas de entrada al economizador
Límites de caídas de presión Lado de humos y lado de vapor
Reglamentación gubernamental Incluso requisitos de control de emisiones
Factores específicos de la ubicación Características geográficas y estacionales
Utilización del generador de vapor Carga base, ciclicidad, etc.
Preferencias del comprador Directrices específicas del diseño:
Condiciones de flujo, preferencias de equipo y eficiencia del generador de vapor
En este ejemplo, la absorción de calor para
el calentamiento del agua del ciclo es el 30%
la vaporización es el 32%
el sobrecalentamiento posterior es el 38%
Para ciclos con presiones de operación supercríticas, se puede añadir un segundo recalentamiento
intermedio del vapor que incrementa la absorción total de calor en un 20%.
Para aplicaciones industriales pueden ser suficientes las etapas correspondientes al calentamiento
del agua del ciclo y a la vaporización.
Fig XVIII.4.- Caldera radiante tipo “El Paso”, para quemar gas: 2550 psig (175,8 bar), 955ºF (513ºC) ; 3.835.000 lb/h (482 kg/seg)
XVIII.-529
Fig XVIII.5.- Caldera de presión universal para quemar carbón pulverizado:
3845 psig (265,1 bar) , 1010ºF (543ºC) , 9.775.000 lb/h (1232 kg/seg)
Fig XVIII.6.- Diagrama (Temperatura-entalpía), para absorción en caldera subcrítica con una sección de calentamiento
XVIII.-530
Fig XVIII.7a.- Generador de vapor Zimmer de carbón pulverizado para planta energética de 1300 MWe.- Cincinnati G&E/Dayton
P&L/AEP-Columbus Southern Power.- Presión de salida 26,5 MPa; temperatura vapor 543ºC/538ºC (año 1990)
Fig XVIII.7b.- Diagrama T-s para la caldera Zimmer de 1300 MWe
XVIII.-531
Fig XVIII.8.- Disposición de un hogar caldera supercrítica UP
Las calderas se pueden diseñar para presiones de operación subcríticas o supercríticas:
- A presiones subcríticas, el cerramiento del hogar está refrigerado por el agua de la caldera a temperatura constante; los
circuitos de flujo se diseñan para asumir el flujo en dos fases agua-vapor y el fenómeno de la vaporización
- A presiones supercríticas, el agua actúa como un fluido de fase única, con un continuo incremento de la temperatura,
conforme pasa por la caldera
por las variaciones en la absorción de calor en los distintos circuitos de flujos, utilizándose dos sistemas
básicos de circulación del fluido en la caldera
Estos diseños tienen que evitar desequilibrios en la temperatura del metal, causadoscirculación natural
proceso directo o paso único
Circulación natural.-
frías del circuito. En los sistemas de circulación natural que operan a presiones subcríticas, el agua se
vaporiza sólo parcialmente en los circuitos de la caldera, produciendo una mezcla
de los tubos. El equipo de separación de la mezcla
con el fin de suministrar vapor saturado seco al sobrecalentador y reciclar el agua a los circuitos de la
caldera. Los límites aceptados en la química del agua, a nivel industrial, son menos rigurosos a bajas
presiones; la caída de presión del fluido
diseño.
Es consecuencia de la diferencia de densidades entre las ramas calientes yagua-vapor a la salidaagua-vapor se incluye para separar el vapor del agua,agua-vapor en el interior de los tubos, suele ser menor que la deProceso directo o paso único
separación del vapor, y se añade un sistema diferente de puesta en servicio. Las calderas de proceso directo
o paso único de presión universal se diseñan para operaciones subcríticas y supercríticas. A presiones
supercríticas, el sistema puede incrementar la eficiencia global del ciclo energético, a base de una
mayor inversión, ya que se necesita una operación más precisa y un tratamiento de agua más riguroso.
.- En este diseño se eliminan el calderín de vapor y el equipo interno deCriterios de diseño generales.-
Los puntos a tener en cuenta en el diseño de una caldera son:a) Definir el aporte de energía teniendo presente:
Los requisitos de los flujos de vapor
La temperatura del agua de alimentación del ciclo
La eficiencia térmica supuesta de la caldera
b) Evaluar la absorción de energía que se necesita en la caldera y en los demás componentes de intercambio térmico
c) Realizar los cálculos de combustión para establecer los flujos de combustible, aire y gases
d) Determinar la forma y el tamaño del hogar, teniendo en cuenta la ubicación y necesidades de espacio de los quemadores
y sistemas de combustión, incorporando el volumen de hogar suficiente para lograr la combustión completa y bajas
emisiones. Hay que prever medios para manipular la ceniza contenida en el combustible y para enfriar los gases, de forma
que la temperatura de humos a la salida del hogar satisfaga los requisitos de diseño
e) Determinar la situación y configuración de las superficies de calentamiento por convección. El sobrecalentador y el recalentador
se ubican donde la temperatura de los gases sea lo suficientemente alta que permita producir una transferencia de
XVIII.-532
calor efectiva, pero no tanto como para que se puedan producir temperaturas excesivas en los tubos o ensuciamientos por ceniza.
Las superficies de convección se diseñan para minimizar el impacto debido a la acumulación de ceniza y para permitir la
limpieza de superficies sin erosión de las partes a presión
f) Instalar la suficiente superficie de caldera que permita generar el resto de vapor que no se produzca en las paredes del
hogar, lo que se debe cumplimentar con o sin economizador
g) Instalar un cerramiento de caldera estanco a gases, alrededor del hogar, caldera, sobrecalentador, recalentador y economizador
h) Diseñar los soportes de las diferentes partes a presión y del cerramiento, para hacer frente a la expansión y a las condiciones
locales, incluyendo cargas debidas al viento y a terremotos
Los sistemas de calderas se diseñan para determinados combustibles; cuando se queman otros con
características distintas a las del combustible de diseño se presentan con frecuencia problemas en la
combustión, escorificación, ensuciamiento, manipulación de la ceniza, etc.
Superficie de cerramiento.-
gas, es un gran volumen delimitado por un cerramiento, en el que tiene lugar la combustión del combustible
y la refrigeración de los gases de combustión antes de que éstos penetren en los bancos tubulares
del paso de convección.
Una temperatura excesiva de los humos que entran en los bancos de tubos de convección, puede
provocar en los tubos elevadas temperaturas o un ensuciamiento o una escorificación inaceptables.
La transferencia de calor a las paredes del cerramiento del hogar, tiene lugar fundamentalmente
por radiación; estas paredes pueden estar refrigeradas por agua en proceso de vaporización (a presión
subcrítica), o por agua a alta velocidad (a presión supercrítica).
El cerramiento de la zona de convección contiene los pasos de gases, horizontales y verticales descendentes,
en los que se localiza la mayor parte de la superficie del sobrecalentador, recalentador y economizador,
Fig XVIII.3. Las superficies del cerramiento pueden estar refrigeradas por agua o por vapor.
Los cerramientos del hogar y del paso de convección están conformados con una construcción tipo pared
membrana totalmente soldada, con tubos refrigerados por agua. Estos cerramientos se construyen
también con tubos en contacto (uno junto al otro), o con tubos muy poco espaciados dotados de una envolvente
interna estanca a los gases. En el caso de una pared membrana, los tubos de la pared y de las
superficies membrana del lado del hogar (envolvente interna) están expuestos al proceso de combustión;
el aislamiento y la envolvente exterior protegen la caldera del medio ambiente, minimizan las pérdidas
de calor y preservan de daños al personal.
El hogar de una gran caldera que quema carbón pulverizado, aceite oTamaño del hogar y requisitos del ciclo.-
superficie generadora de vapor de la caldera, facilitando
El cerramiento del hogar constituye gran parte de la- El volumen necesario para la combustión completa
- El medio de enfriamiento de los gases de combustión hasta una temperatura aceptable a la salida del hogar
En las unidades que queman carbón, el volumen mínimo del hogar se fija para lograr una determinada
temperatura en la ceniza del combustible, a la salida del mismo, lo que, para cumplimentar los requisitos
termodinámicos correspondientes a la temperatura de salida del vapor, conduce a disponer de
demasiada superficie de vaporización en unidades de alta presión, y a poca superficie de vaporización en
unidades de baja presión.
La Fig XVIII.9 indica la influencia del ciclo de vapor, su presión y temperatura, en la absorción de
energía entre
caldera/economizador
sobrecalentador/recalentador
Al aumentar la presión y temperatura del vapor, para una producción energética dada, la absorción
XVIII.-533
total de la unidad decrece progresivamente como consecuencia de la mayor eficiencia del ciclo. La absorción
de la
para producir vapor saturado, o para alcanzar el punto crítico en una caldera de presión universal
supercrítica de proceso directo o de un paso.
caldera/economizador representa el calor aplicado al agua de alimentación entrante en la caldera,Fig XVIII.9.- Absorción de calor en %, según la presión de operación y la temperatura del vapor
Al aumentar la presión de la operación, la cantidad de calor requerida para producir vapor saturado
disminuye, mientras que para el
requerida al modificarse la presión de la
absorción de un 1% equivale a un desvío de unos 10ºF (6ºC) en la temperatura del vapor sobrecalentado
o del vapor recalentado.
sobrecalentador/recalentador aumenta. La variación de la absorcióncaldera/economizador no es significativa; una variación en estaEn unidades de baja presión
vapor saturado requerido y, por éllo, aguas abajo del sobrecalentador se instala un banco de caldera o
haz vaporizador.
, el calor absorbido por el hogar no es el adecuado para producir todo elEn unidades de alta presión
para producir todo el vapor saturado que se requiere.
Cuando el tamaño del hogar aumenta, el economizador se puede hacer más pequeño para generar
la misma cantidad de vapor; cuando el tamaño del hogar aumenta hasta un determinado tamaño, se llega
a una situación en la que no se precisa economizador.
Cuando el hogar se agranda, la temperatura de salida de los humos se reduce, produciéndose demasiado
vapor, por lo que los gases no tendrán la energía suficiente que permita alcanzar la temperatura
de diseño en el
, el calor absorbido por el hogar y por el economizador es el adecuadosobrecalentador/recalentador.Criterios de diseño del hogar.-
abertura de salida, confinado por paredes refrigeradas con agua y dentro del cual se realiza el proceso de
la combustión; su perfil y volumen quedan fijados por el tipo de combustible y sistema de combustión.
Con paredes que utilizan quemadores o recintos de fuego circulares, la separación mínima entre los
quemadores, las paredes laterales y la solera del hogar, se establece con el criterio de llegar a la combustión
completa, por lo que se:
El hogar se puede considerar como un gran volumen con una- Impide la interacción entre los flujos de combustible y llama
- Asegura la combustión completa
- Evita la colisión de las llamas sobre las paredes, que provocarían el recalentamiento de los tubos o depósitos excesivos
- Minimiza la formación de NO
xXVIII.-534
El régimen de aporte máximo de combustible y el número de quemadores establecen:
- El área de la sección recta del hogar
- La altura de la zona de combustión
- La altura de la zona de inyección de aire
terciario- La distancia entre los quemadores y la solera del hogar
Cuando el combustible se quema en hogares mecánicos, el área de la sección recta del hogar se determina
mediante el régimen de liberación del calor por unidad de superficie de lecho.
Cuando se tiene que reducir el límite de emisiones, el diseño del sistema de combustión y su influencia
en el perfil y volumen del hogar, se hace muy crítico y complejo.
Para reducir las emisiones de NO
también otras técnicas, como:
x se pueden considerar no sólo los quemadores de bajo NOx sinoEl escalonamiento del aire
El requemado del combustible
La inyección de reactivos
terciario en el hogar
También se han desarrollado algunas técnicas para la inyección de absorbentes destinados a reducir
las emisiones de SO
Cada una de estas técnicas tiene su particular impacto sobre el tamaño y configuración del hogar.
2.- Para combustibles limpios como el gas natural, el volumen y altura del hogar se calculan para enfriar los productos
de la combustión hasta una temperatura de gases a la salida del hogar que impida el posible recalentamiento de los tubos
del sobrecalentador
- Para combustibles tipo carbón y algunos aceites, que contienen significativos niveles de ceniza, el volumen y altura del
hogar se determinan para enfriar los productos de la combustión hasta una temperatura de gases a la salida del hogar que
evite el excesivo ensuciamiento de las superficies de convección
- La altura del hogar se puede fijar también para:
* facilitar el tiempo mínimo de residencia que precise la combustión completa
* cumplimentar los requisitos mínimos de separación desde los quemadores y portillas de NO
superficies de convección
x hasta la bóveda yXVIII.2.- INFLUENCIA DE LA CENIZA
Para el carbón y en menor grado en el aceite, una de las consideraciones extremadamente importantes
es la ceniza presente en el combustible; si no se tiene en cuenta en el diseño o en el funcionamiento,
se puede depositar en las superficies inclinadas de las paredes del hogar y en los bancos tubulares
del paso de convección.
La ceniza:
reduce el calor absorbido por la unidad generadora de vapor
aumenta la pérdida de tiro
erosiona las partes a presión
provoca paradas forzosas para efectuar limpiezas y reparaciones
Para el carbón existen dos tipos generales de hogares:
El de ceniza sólida (seca) o de solera seca
El de ceniza fundida o de solera húmeda
El
una solera en forma de tolva (cenicero), Fig XVIII.3 y 5, y una superficie de refrigeración; la ceniza que
impacta sobre las paredes del hogar o sobre la solera, es sólida y seca, evacuándose como partículas sólidas.
Cuando se quema carbón pulverizado en un hogar con ceniza seca, el 80% de la ceniza se arrastra
por los gases a través de los bancos tubulares de convección. Las características químicas de la ceniza
influyen en el volumen del hogar, necesario para lograr una satisfactoria operación de la unidad; en la
Fig XVIII.10 se compara el volumen de un hogar para una caldera de 500 MW quemando carbón bituminoso
o subbituminoso de baja escorificación, con el que se requiere por otra unidad de igual potencia
pero quemando lignito con un gran poder aglutinante (fácil escorificación).
hogar de ceniza sólida se aplica a carbones con ceniza de alta temperatura de fusión; consiste enXVIII.-535
Con carbones que tienen cenizas con baja temperatura de fusión, es muy difícil emplear un hogar
con cenicero seco, porque la ceniza (y en particular la escoria) que está fundida o en estado pastoso, se
amontona formando grumos en las paredes del hogar o en la tolva del cenicero. Para manipular estos
carbones, se ha desarrollado el hogar con ceniza fundida o con cenicero húmedo, cuya configuración incorpora
uno o varios combustores ciclón.
Fig XVIII.10.- Comparación de tamaños de calderas para diversos tipos de carbones
a) 500 MW, carbón bituminoso y subbituminoso; ceniza poco escorificante ; b) 500 MW, lignito de Texas; ceniza muy escorificante
El hogar, formado por el recinto ciclón y el hogar convencional residual, comprende una disposición
en dos escalones:
- En la parte inferior del hogar la temperatura debe ser suficiente para que la ceniza se vierta sobre la solera en forma líquida,
conformándose una balsa de escoria líquida, que se drena hacia un tanque que contiene agua, en donde se trocea
- En la parte superior del hogar, los gases se enfrían hasta una temperatura inferior a la del punto de fusión de la ceniza,
de modo que ésta (polvo), cuando se arrastra hacia los bancos tubulares de convección no provoca un excesivo ensuciamiento
Como consecuencia de las elevadas emisiones de NO
diseño es poco frecuente en el proyecto de nuevas calderas.
x propias de los hogares con ceniza fundida, suXVIII.3.- PAREDES REFRIGERADAS POR AGUA
La mayoría de los hogares de calderas tienen paredes membrana refrigeradas por agua, Fig.
XVIII.11. Esta construcción reduce el mantenimiento de las paredes del hogar, y reduce la temperatura
de los gases que se dirigen hacia los bancos de convección, hasta un nivel en el que la deposición de escoria
y la corrosión en el sobrecalentador se pueda controlar mediante el equipo de soplado del hollín.
Fig XVIII.11.- Construcción de la pared membrana en la zona de quemadores
XVIII.-536
Para obtener la máxima absorción de calor, los tubos de las paredes del hogar están espaciados lo
menos posible, a la vez que la temperatura de los tubos y de la membrana se mantienen dentro de límites
aceptables.
Las paredes membrana están constituidas por una fila de tubos cuyos ejes están espaciados algo
más de un diámetro de tubo, y unidos entre sí mediante una varilla membrana que se suelda por completo
a los tubos adyacentes, configurando una superficie de pared continua, robusta y estanca, transmitiendo
el calor de los gases del hogar a la mezcla
La construcción de paredes membrana con revestimiento refractario se utiliza en las paredes inferiores
del hogar de unidades dotadas con combustores ciclón destinadas a quemar basuras, y en unidades
de lecho fluidificado.
agua-vapor que circula por el interior de los tubos.Superficie de convección de la caldera.-
parte del banco de convección, se incluyen como tubos de caldera, los cuales están bastante espaciados
para así facilitar el paso de los gases y evitar la acumulación de ceniza, mejorando la limpieza de
las superficies termointercambiadoras cuando se utilizan combustibles sucios; configuran la pantalla de
escoria o pantalla de caldera, y reciben el calor por:
En algunos diseños, las primeras filas de tubos que forman- Radiación directa desde el hogar
- Por radiación y convección desde los gases de combustión que pasan a su través
Otra variante es utilizar pantallas de tubos refrigerados por agua o por vapor, ubicados en la parte
superior del hogar; a veces se identifican como paredes divisorias, y facilitan una superficie adicional de
caldera optimizando el tamaño del hogar.
En las grandes unidades de alta presión, estas pantallas de tubos situadas en el plano de salida del
hogar, configuran la superficie del sobrecalentador; a la entrada del sobrecalentador la temperatura de
los humos debe ser lo suficientemente alta para que se pueda alcanzar la temperatura deseada en el
vapor sobrecalentado, con una suficiente superficie de caldeo y utilizando materiales económicos.
Las disposiciones indicadas en las Fig XVIII.1 a 5, muestran configuraciones de superficie de sobrecalentador
a la salida del hogar; para optimizar el diseño del sobrecalentador, en la parte alta del hogar
se pueden incorporar pantallas de tubos o paredes divisorias ampliamente espaciadas y refrigeradas
por vapor, Fig XVIII.3 y 5.
La Fig XVIII.12 muestra unas superficies de convección, en planta, con espaciados decrecientes, y
la variación en la temperatura media de los gases, conforme éstos las atraviesan.
El diseño de la superficie termointercambiadora de la caldera, aguas abajo del sobrecalentador, depende:
De la caída de temperatura en los gases
Del tipo de unidad
industrial
energética
De la pérdida de tiro al paso de los humos a través de la superficie termointercambiadora
En el diseño de calderas con caldeo por convección, con el fin de lograr la caída prevista de temperatura
en los gases, y una pérdida de tiro tolerable en el flujo de los mismos, se pueden combinar ciertos
parámetros, como:
- El diámetro y longitud de los tubos
- El espaciado entre tubos
- El número y orientación de los tubos
- Los deflectores que se provean del lado de gases
En el diseño de las superficies de convección del lado de humos, la superficie termointercambiadora
necesaria para un régimen dado es inversamente proporcional a la caída de presión del lado de humos.
Las modificaciones del diseño que aumentan la caída de presión, como la reducción del espaciado
XVIII.-537
entre tubos perpendicular al flujo, dan lugar a mayores regímenes de transferencia de calor, reduciéndose
la superficie termointercambiadora para soportar la carga térmica total deseada.
Para un régimen dado de humos, cuando éstos circulan en flujo cruzado, el coeficiente de película, la
absorción de calor y la pérdida de tiro son mayores que cuando lo hacen paralelamente a los tubos; el
flujo de gases serpentea entre los bancos de tubos, lo que da lugar a una pérdida de tiro mayor y a una
mala distribución del flujo, con poca mejora en la absorción de calor.
Los cambios de dirección en el flujo que sale de un banco tubular situado aguas arriba y que entra
en otro aguas abajo, se diseñan para que tengan resistencia mínima y óptima disposición.
Fig XVIII.12.- Disposición esquemática en plantas de superficies de convección y variación de la temperatura media de los humos
XVIII.4.- ANÁLISIS DEL CÁLCULO NUMÉRICO DE CALDERAS
Para la determinación de los intercambios térmicos locales y las condiciones de humos en la caldera,
sobrecalentador y recalentador, si los datos experimentales son insuficientes para el diseño, se recurre
al modelado mediante cálculo numérico, haciendo uso de programas informáticos que resuelven las
ecuaciones de conservación de la masa, cantidad de movimiento y energía.
La modelización numérica de las zonas del sobrecalentador y recalentador incluye el cerramiento de
caldera, los recintos de fuego o quemadores y otros aspectos geométricos que pueden afectar al flujo, incluyendo
los componentes situados aguas arriba y aguas abajo, con el fin de facilitar las mejores condiciones
de contorno para la zona interesada.
En la aplicación de los programas informáticos hay que tener en cuenta el tamaño del modelo y su
complejidad, frente al tiempo de cálculo necesario que requiere el ordenador.
Las entradas numéricas incluyen:
- Datos geométricos y configuración de las superficies termointercambiadoras y de la caldera.
- Datos de características funcionales, caídas de presión y absorción de calor de las superficies termointercambiadoras.
- Datos de operación, estequiometría y temperatura de humos a la salida del hogar
- Disposición de quemadores, ángulos de paletas e intensidad de la turbulencia
- Propiedades del combustible, cantidad de combustible y humos, composición y finura del carbón, etc
XVIII.-538
Con el procesado final se puede obtener la magnitud de otras variables secundarias, tales como la
resistencia a la escorificación o efectividad de la mezcla.
El análisis numérico se puede clasificar en tres categorías:
- Verificación de los diseños propuestos
- Evaluación de las modificaciones del diseño
- Investigación de problemas localizados
Ejemplo XVIII.1.-
después de modificar la disposición de los deflectores del paso de convección; como se observa, el diseño
se modificó porque el tamaño de la superficie termointercambiadora hizo que disminuyera la prevista
absorción de calor, realizándose la modificación antes de la fabricación, para reducir costes.
Las Fig XVIII.13a.b muestran las líneas de flujo en un diseño de caldera, antes yEjemplo XVIII.2.-
un análisis que determina la posición óptima de las portillas de NO
el trazado de las estequiometrías combustible/aire, a una cota de 15 ft (4,6 m) sobre las portillas
de NO
da lugar a una menor formación de NO
La aplicación del modelo numérico que se presenta en la Fig XVIII.14 se refiere ax en un sistema de caldera; se representax antes y después del ajuste de las portillas de NOx. La distribución más uniforme con mezcla mejorada,x.a) Disposición original de los deflectores del paso de convección. b) Disposición mejorada de los deflectores del paso de convección
Fig XVIII.13.- Modelización de las líneas de flujo de corriente de humos
a) Configuración inicial de mezcla. b) Configuración mejorada de mezcla
Fig XVIII.14.- Modelización de la estequiometría local “combustible-aire”
Ejemplo XVIII.3.-
El modelo tiene en cuenta la geometría de la caldera y sus características funcionales como la ab-
La modelización numérica se puede utilizar para investigar problemas en la caldera.XVIII.-539
sorción de calor, temperatura y caída de presión. El modelo facilita una imagen detallada y clara de las
características funcionales, mejor que la que se puede lograr utilizando métodos analíticos.
Si se supone, por ejemplo, que en el borde de entrada más bajo del
está experimentando una excesiva acumulación de ceniza, para determinar la causa de la escorificación
y evaluar las modificaciones del diseño que permitan reducir dicha acumulación, se puede utilizar
un modelo numérico, en el que:
sobrecalentadorsecundario una unidadFig XVIII.15.- Modelización de la temperatura de humos a la salida del hogar, del ejemplo XVIII.3
- Las superficies más bajas del sobrecalentador
hacia las paredes laterales, tengan altas velocidades y elevadas cargas de ceniza
- La gráfica de los niveles de temperatura en el diseño preliminar que se empleó en la construcción y en un diseño de bóveda
más grande, Fig XVIII.15, indicaban que el aumento de tamaño de la bóveda desplazaba los gases calientes, separándolos
de la zona a estudiar en el sobrecalentador
- La reducción de 100ºF (56ºC) en la temperatura máxima de los gases que entraban en el sobrecalentador
mejoró la resistencia de la unidad frente a la escorificación.
secundario, en el lado de entrada de humos, y con una cierta desviaciónsecundario, eliminando virtualmente el impacto de la ceniza calientesecundario,La modelización exacta de calderas y de sus componentes depende de la disponibilidad de información
para determinar las condiciones adecuadas a la entrada y de contorno, las propiedades de los fluidos
y el conocimiento de características globales como la caída de presión y la absorción de calor.
XVIII.5.- DISEÑO DE LAS PARTES A PRESIÓN
Las calderas se diseñan según normas como el Código ASME para Calderas y Vasijas a Presión.
Es importante conocer las temperaturas de diseño de las partes a presión, que no se deben superar
durante la operación del generador de vapor ya que los esfuerzos permisibles dependen de la temperatura
máxima a que están expuestos los materiales.
Las temperaturas del material del cerramiento de una caldera con calderín, la puesta en servicio y
el diámetro exterior de cada tubo dependen de:
- El flujo calorífico transitorio
- La presión de diseño
- La conductividad del metal
- La temperatura de saturación correspondiente a la máxima presión de operación de la caldera
En los tubos de caldera, las temperaturas se mantienen en niveles conocidos mediante la provisión
de un caudal de agua suficiente, para evitar que se llegue al flujo calorífico crítico, o punto de desvío de la
vaporización puntual. En cada tubo, el agua saturada tiene una velocidad determinada, prestando especial
atención a las zonas de alto flujo calorífico y a los tubos inclinados con calentamiento por su generatriz
superior.
XVIII.-540
Fig XVIII.16.- Modelizaciones diversas cuando se modifica el sistema de aire
XVIII.-541
Como los calderines de vapor tienen paredes gruesas, hay que limitar el flujo calorífico a través de
ellos para evitar excesivos gradientes térmicos durante:
- La puesta en servicio
- La retirada de servicio
- El funcionamiento, que es especialmente importante cuando el calderín está expuesto a los gases
Cuando el calderín cuenta con un determinado número de penetraciones tubulares, el flujo de agua
a través de éstas sirve para refrigerar las paredes del calderín.
Configuración típica para unidades de HRSG que recuperan
calor de pequeñas turbinas de gas y de motores Diesel.
Esta configuración se ha utilizado más años que las demás.
Tiene la ventaja de que el calderín superior es un separador de
vapor, que está conectado con el inferior por tubos verticales.
Esto hace que pueda manejar flujos muy grandes de humos.
Configuración de 3 calderines, típica en instalaciones
con una gran cantidad de ceniza; en la zona que separa
los calderines inferiores se ubicaba la tolva para recoger
y retirar las partículas sólidas
En los últimos veinte años, esta configuración, apoyada en el suelo,
se ha convertido en el más popular de todos los diseños de evaporadores.
Se puede construir en módulos axiales o en módulos laterales
múltiples, diseño que acepta cualquier tipo de flujo de humos.
Fig XVIII.16a.- Configuraciones diversas con diversas modificaciones
XVIII.-542
Cuando por la alta temperatura o por la velocidad de los gases el aporte de calor a un calderín es demasiado
elevado, se le dota de un aislamiento exterior o se le reubica fuera del flujo de calor.
En el interior del calderín se instala un equipo de separación de vapor, que mantenga la humedad y
los sólidos disueltos en el vapor, en niveles aceptables.
En calderas de un paso (proceso directo), toda la humedad vaporiza en los tubos, de modo que la vaporización
y el sobrecalentamiento tienen lugar en forma secuencial, sin calderín; la pureza del vapor
depende, exclusivamente, del mantenimiento de la pureza del agua de alimentación. Las válvulas de seguridad
de la caldera son componentes muy importantes de protección del generador de vapor.
El Código ASME estipula que la presión de diseño de la caldera no debe ser inferior a la presión de
descarga de la válvula de seguridad que tenga el tarado más elevado. Para evitar pérdidas innecesarias
y trabajos de mantenimiento debidos al frecuente disparo de las válvulas de seguridad, la que abra primero
(la de tarado más bajo) se debe regular para que dispare a una presión que no sea inferior a la de
operación de la caldera incrementada en un 5%.
La presión de operación en el calderín de vapor depende de la presión requerida en el punto de utilización
del vapor y de la correspondiente caída de presión. Cuando el vapor se utiliza para alimentar una
turbina, la presión de operación de la caldera se calcula sumando a la presión de admisión en la turbina,
la caída de presión en la tubería de vapor, en válvulas, en el sobrecalentador y en las partes internas del
calderín, correspondiente al máximo flujo de vapor de la unidad.
Fig XVIII.17.- Evaporador de tubos horizontales
Soportes de caldera.-
que están conectados; los tubos de los bancos vaporizadores y pantallas se soportan por el calderín y
por los colectores a los que están conectados.
Para conseguir el diseño adecuado de soportes se hacen las siguientes consideraciones:
Los tubos de las paredes del hogar están soportados por los colectores a los- Los tubos se disponen y alinean de forma que no estén sometidos a momentos flectores excesivos
- No se debe sobrepasar, en ningún caso, la carga de trabajo en los asientos de los tubos
- Hay que facilitar la expansión de las partes a presión
La caldera apoyada se debe anclar sólo en un punto, guiarse en una sola dirección, y dejar que se
expanda libremente en las demás direcciones. En este tipo de caldera, para reducir las fuerzas de rozamiento
y las solicitaciones resultantes en las partes a presión, es conveniente utilizar asientos o armaduras
de rodillos cuando soportan cargas importantes.
XVIII.-543
XVIII.6.- SOBRECALENTADORES Y RECALENTADORES
Ventajas del sobrecalentamiento y recalentamiento.-
el trabajo realizado está limitado por la humedad que puede manipular la turbina sin un excesivo
desgaste de sus álabes; este grado de humedad se sitúa entre el 10
Se puede aumentar el trabajo realizado extrayendo la humedad entre escalones de la turbina, situación
que no es económica salvo en casos especiales; la energía total que la turbina puede transformar
en trabajo es pequeña comparada con la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura del
agua del ciclo hasta la de saturación y posterior vaporización; el contenido de humedad constituye una
limitación fundamental en el diseño de la turbina.
En general, una turbina transforma la energía del vapor sobrecalentado en trabajo sin formación de
humedad, por lo que esa energía se recupera en la turbina.
Esto no es aplicable cuando la presión del vapor sea igual o superior a la crítica 3.208 psi (221 bar);
para presiones superiores a ésta, el calor aplicado a temperaturas superiores a 705ºF (374ºC) se recupera
en su totalidad por la turbina de vapor.
La ventaja del sobrecalentamiento se pone de manifiesto por la reducción del consumo de calor del
ciclo, cuando la temperatura del vapor que entra en la turbina se eleva .
Por ejemplo, en un cálculo simple en un ciclo Rankine ideal con sobrecalentamiento (Hirn) a la presión
de 2.400 psig (185,6 bar) y recalentamiento intermedio, cuando la temperatura del sobrecalentado
sube de
Cuando en una turbina se utiliza vapor saturado,÷ 15%.900 a 1100ºF
482 a 593ºC
, el consumo específico bruto se reduce de
7.550 a 7.200 Btu/kWh
7.963 a 7.594 kJ/kWh
, lo que representa
una mejora del rendimiento del 4,5% atribuible a la temperatura del sobrecalentamiento.
Fig XVIII.18.- Configuraciones del sobrecalentador.
Tipos de sobrecalentadores
que se caracterizan por la forma en que realizan la transferencia de calor desde los gases.
El
unidad generadora de vapor que utilice este diseño, la temperatura del vapor que sale del sobrecalentador
aumenta con la producción de la caldera.
Como el régimen de transferencia de calor por convección es casi proporcional al régimen de gases
y, por tanto, a la producción de la caldera, la absorción total en el sobrecalentador de convección y la
temperatura del vapor, aumentan con la producción de la caldera, Fig XVIII.19.
Este efecto se acentúa tanto más, cuanto más alejado del hogar se ubique el sobrecalentador de
convección y cuanto menor sea la temperatura de los gases que entran en el mismo.
.- Existen dos tipos básicos de sobrecalentadores, de convección y de radiación,sobrecalentador de convección se emplea cuando la temperatura de los gases es pequeña. En unaXVIII.-544
El
Normalmente tiene una configuración de pantallas (paredes divisorias) o de placas colgadas formadas
por tubos refrigerados por vapor, ampliamente espaciadas en la dirección perpendicular al flujo
de gases. A veces, este sobrecalentador se incorpora a las paredes del cerramiento del hogar.
Como el calor absorbido por las paredes del hogar no aumenta tan rápidamente como la producción
de la caldera, la temperatura de salida del sobrecalentador radiante disminuye al aumentar la producción
de la caldera, Fig XVIII.19.
En ciertos casos, las dos curvas de variación de la temperatura, que tienen pendientes opuestas,
correspondientes a los sobrecalentadores de convección y radiación, se pueden compensar combinando
en serie ambos tipos de sobrecalentadores, obteniéndose para la temperatura del sobrecalentador una
curva plana, en amplios márgenes de carga, Fig XVIII.19.
También se puede obtener una curva de temperatura plana para el vapor sobrecalentado, mediante
un sobrecalentador que tenga fuego independiente del que existe en el hogar.
En el diseño de los sobrecalentadores radiantes y convectivos hay que tener mucho cuidado en evitar
diferencias en la distribución de los flujos de vapor y de gases, que podrían conducir al recalentamiento
de los tubos; los sobrecalentadores tienen flujos de vapor entre
sobrecalentador de radiación recibe la energía desde el hogar por radiación, y muy poca convección.100.000 a 1.000.000 lb/
136 a 1356 kg/m
2fth2 s
, o más; estas
cifras se fijan para facilitar
una refrigeración adecuada
caídas de presión admisibles
en los tubos.
Fig XVIII.19.- Temperatura final del vapor sobrecalentado, prácticamente uniforme para un amplio campo de cargas,
obtenida en dos secciones en serie de radiación y convección
La mayor caída de presión, asociada a velocidades mayores, mejora la distribución del flujo de vapor
entre ambos lados del sobrecalentador.
Las condiciones para el diseño del sobrecalentador se aplican también al diseño del recalentador.
Sin embargo, la caída de presión en un recalentador es crítica, porque la mejora en el consumo de calor
del ciclo se puede anular por una pérdida de presión demasiado grande en el recalentador; por lo tanto, el
flujo másico de vapor en el recalentador suele ser algo menor que en el sobrecalentador.
Tamaño de los tubos.-
En los sobrecalentadores y recalentadores se usan tubos cilíndricos lisos de1,75" a 2,75"
44,5 a 69,9 mm
de diámetro exterior. Con tubos de menor diámetro, la caída de presión en el lado del vapor
es más alta, siendo más difícil su alineación por el lado de los gases.
Con tubos de mayor diámetro, las mayores solicitaciones debidas a la presión, se presentan del lado
XVIII.-545
del vapor. En las unidades modernas, para evitar la acumulación de ceniza:
- Se aumenta la distancia entre los soportes de los tubos de sobrecalentadores horizontales
- Se separan aún más los tubos
- Se reduce el número de tubos por fila
El tubo de 2,5”(63,5 mm) de diámetro exterior cumplimenta los objetivos precedentes, con una mínima
diferencia de ventajas respecto a las que ofrecen tubos de menor diámetro. Cuando la temperatura
del vapor aumenta, las solicitaciones admisibles pueden obligar a la utilización de tubos de menor diámetro
exterior.
En sobrecalentadores se emplean tubos lisos; si tienen superficies ampliadas en forma de aletas
longitudinales, transversales o protuberancias, la limpieza de la superficie termointercambiadora del
lado de gases se complica; las superficies ampliadas pueden incrementar la temperatura de los tubos
por encima de los límites de diseño.
Diseño de sobrecalentadores.-
Se deben considerar algunos parámetros, como:- La temperatura del vapor
- El campo de cargas de la caldera, dentro del cual la temperatura del vapor generado debe estar controlada
- La superficie del sobrecalentador para conseguir la temperatura del vapor
- La zona de temperaturas de gases en la que se ubica la superficie del sobrecalentador
- El tipo de acero para la construcción del sobrecalentador y sus soportes necesarios
- El régimen del flujo de vapor en el interior de los tubos, que está limitado por la caída de presión, y que a su vez debe
garantizar un control adecuado de la temperatura de los tubos
- La disposición de la superficie para hacer frente a las características de los combustibles, en lo referente al espaciado de
tubos para evitar la acumulación de ceniza, o para facilitar su eliminación en las primeras etapas de su formación
- El diseño físico y tipo de sobrecalentador como estructura
En casi todas las nuevas grandes calderas para plantas termoeléctricas, la experiencia conduce a
la utilización de temperaturas de vapor sobrecalentado y recalentado de
1000 a 1050ºF
538 a 566ºC
.
En las calderas estándar, la zona de ubicación del sobrecalentador queda bien delimitada por la disposición
de la unidad y por el espacio asignado a la superficie sobrecalentadora. Una vez calculada la superficie,
con su ubicación y espaciado óptimos, se calculan el flujo másico y la caída de presión del vapor,
así como la temperatura de los tubos del sobrecalentador.
Para alcanzar la combinación óptima hay que:
- Usar aleaciones de bajo precio
- Tener en el lado del vapor una caída de presión razonable, sin comprometer la temperatura de los tubos
- Disponer de un mayor flujo másico del vapor, para reducir la temperatura de los tubos
- Considerar el espaciado de los tubos que minimice la acumulación de ceniza con diversos combustibles
- Obtener un menor espaciado entre tubos, la más económica, para un suministro dado de combustible
- Facilitar una disposición de tubos que mejore el tiro cuando este parámetro resulte crítico para la instalación
- Ubicar el sobrecalentador en una zona de temperatura de gases elevada, para ahorrar superficie intercambiadora
Diseño de recalentadores.-
recalentador; para el recalentador, la caída de presión permisible del lado del vapor está limitada.
El flujo másico del vapor en los tubos del recalentador, debe ser el suficiente para que el gradiente de
temperaturas a través de la película de vapor, sea inferior a 150ºF (83ºC); este gradiente se consigue
con una caída de presión en los tubos del recalentador de 4
con otra caída de presión en válvulas y tuberías del sistema de vapor recalentado de 4
caída de presión total admisible en el sistema no excede del 8
La caída de presión asignada a las tuberías de vapor recalentado es del orden de:
Existe una gran similitud entre el diseño de un sobrecalentador y de un÷ 5% de la presión de entrada al mismo, junto÷ 5%, por lo que la÷ 10% .XVIII.-546
- Un tercio para la tubería de entrada (recalentamiento frío)
- Dos tercios para la tubería de salida (recalentamiento caliente)
Metal de los tubos.-
tubos del sobrecalentador y del recalentador son:
Los parámetros que determinan los materiales que se deben utilizar para losLa resistencia a la oxidación
La solicitación admisible
El coste
Fig XVIII.20.- Disposiciones típicas de superficies de sobrecalentadores
Fig XVIII.21a.- Sección colgante de sobrecalentador, con soportes de fundición tipo anillo partido
Soportes de sobrecalentadores y recalentadores.-
La utilización del acero al C es lo más normal, pero en las partes en que sea necesario hay que emplear
aceros aleados cuidadosamente preseleccionados.
Diversas disposiciones típicas de la superficie básica de intercambio para los sobrecalentadores se
indican en la Fig XVIII.20; permiten evaluar un intercambio económico que relaciona el coste de material
y la diferencia de superficie requerida, justificada por consideraciones de índole termohidráulica.
En los sobrecalentadores verticales, los puntos de soporte principales se encuentran fuera del flujo
Los sobrecalentadores y recalentadores están ubi-XVIII.-547
de gases, por lo que las pantallas con soportes de la sección principal situados encima del techo de la caldera,
se soportan por sí mismas, a tracción, Fig XVIII.21a.b.
- Cuando se dispone de un espaciado lateral perpendicular al flujo de gases y la limpieza de la ceniza no implica abrasión,
se utilizan guías abrazaderas refrigeradas por vapor
- Si la limpieza de la ceniza implica abrasión, por ejemplo cuando se quema carbón, se emplean guías de anillo en las
aleaciones altas de cromo-níquel
- En zonas con temperatura de humos elevada se utilizan elementos de ligadura, de lado a lado, para mantener los espaciados
transversales
- Para mantener la alineación de los tubos de cada pantalla en sistemas con espaciados laterales menores, las guías
abrazadera refrigeradas por vapor no son prácticas, empleándose ligaduras mecánicas, Fig XVIII.22, como las uniones en D.
En sobrecalentadores horizontales, la carga a soportar se transmite a los tubos de cerramiento refrigerados
por vapor, o de la caldera
mediante dos tipos de guías, una soldada al tubo soporte y otra al tubo del sobrecalentador, Fig
XVIII.23, deslizando una en la otra. Los soportes tipo cuna facilitan el movimiento relativo entre tubos
contiguos del sobrecalentador.
. La unión entre tubos soporte y tubos del sobrecalentador se haceFig XVIII.21b.- Sección colgante de sobrecalentador, con guía envolvente refrigerada por vapor
Fig XVIII.22.- Sección colgante de recalentador con soportes
XVIII.-548
Fig XVIII.23.- Soportes en los extremos del sobrecalentador horizontal
Con el aumento del tamaño de las unidades, el espaciado entre los tubos del sobrecalentador horizontal
aumenta, hasta el extremo de que es imposible soportar estos tubos sólo por sus extremos, empleándose
un tubo tirante colgado desde la salida del economizador.
Limpieza interior.-
del sobrecalentador y del recalentador, aunque en algunas circunstancias se han limpiado por vía química.
Durante la puesta en servicio inicial, el soplado de las tuberías de vapor se utiliza para eliminar escamas,
aceites y otros residuos.
No se suele exigir la limpieza interna de las superficies termointercambiadorasLimpieza exterior y espaciado entre superficies.-
entre dos retiradas de servicio consecutivas del orden de 18 a 24 meses seguidos, por lo que la limpieza
del lado de gases se hace crítica. Para mejorar la limpieza, las secciones colgadas del sobrecalentador
están espaciadas de acuerdo con la temperatura de los gases y el tipo de combustible que queme el generador
de vapor. En la Fig XVIII.21 se muestra la disposición correspondiente a unidades que queman
carbón pulverizado en lecho suspendido
El espaciado longitudinal en la dirección del flujo de gases:
Las unidades modernas se diseñan para funcionar- Se fija desde
0,50 a 0,75
12,7 a 19,1 mm
, como espacio libre entre tubos para las zonas de alta temperatura
- Se permite un mayor espaciado para zonas de superficies horizontales, que reciban gases a temperaturas inferiores a
1500ºF (616ºC)
XVIII.7.- AJUSTE Y CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR
La mejora en el consumo específico de calor se debe, en gran parte, a la alta eficiencia del ciclo térmico,
que se hace posible por las elevadas temperaturas del vapor que se suministra a la turbina.
La importancia de la regulación de la temperatura del vapor, dentro de estrechos márgenes, se
pone de manifiesto por el hecho de que una variación de la temperatura del vapor de
35ºF a 40ºF
19ºC a 22ºC
, implica
una alteración del 1% en el consumo específico de calor, para presiones de funcionamiento superiores
a 1800 psi, (124,1 bar).
Para
un control preciso
una regulación exacta
de la temperatura del vapor existen otros fundamentos como:
- Prevenir fallos en el sobrecalentador, recalentador o turbina, debidos a las excesivas temperaturas del metal
- Impedir dilataciones térmicas que puedan reducir peligrosamente las holguras en la turbina
- Evitar la erosión derivada de una excesiva humedad en los últimos escalonamientos de la turbina
En las calderas con calderín, la producción de vapor y la presión de salida se mantienen constantes
con el régimen de fuegos; las temperaturas del vapor sobrecalentado y del recalentado dependen de parámetros
básicos de diseño, como las dimensiones de la superficie termointercambiadora y la relación
entre las superficies de convección y radiación.
Las temperaturas de vapor vienen afectadas también por otras variables operativas, como:
XVIII.-549
- El exceso de aire (aire
- La temperatura del agua de alimentación del ciclo a la entrada al generador de vapor
- Las variaciones en el combustible que modifican las características de la combustión y las deposiciones de ceniza sobre
las superficies termointercambiadoras
- La correcta combinación y disposición de los quemadores que estén en servicio
exceso)En las calderas de proceso directo de presión universal, que tienen una zona variable para el paso
del agua a vapor, la producción de vapor y la presión y temperatura del vapor sobrecalentado se controlan
coordinando el régimen
de fuegos
del flujo del agua de alimentación de la caldera
, dejando que la temperatura del
vapor recalentado sea la variable dependiente, permitiendo una tolerancia de ±10ºF (6ºC) sobre la temperatura
de salida del vapor.
Cuando la carga aumenta,
la temperatura
el gasto másico de los gases de combustión
se incrementan.
En un sobrecalentador de convección, la temperatura del vapor crece al aumentar la carga, siendo
el gradiente de temperaturas debido a este aumento, tanto menor cuanto más próxima al hogar esté la
superficie del sobrecalentador de convección.
En un sobrecalentador de radiación, la temperatura del vapor decrece al aumentar la carga.
En una unidad generadora de vapor, las superficies de sobrecalentamiento de radiación y convección
se instalan en serie, para mantener prácticamente constante la temperatura del vapor en todo el
campo de control de la unidad, Fig XVIII.19.
Exceso de aire.-
modificación de los gases que van hacia el sobrecalentador de convección; un aumento del
quemadores eleva la temperatura del vapor.
Cualquier variación en el aireexceso que entra en la zona de quemadores, provoca unaaireexceso enTemperatura del agua de alimentación.-
del ciclo a la entrada del generador de vapor provoca una disminución de la temperatura del vapor sobrecalentado;
para un flujo de vapor dado, cuando la temperatura del agua de alimentación sube:
Un incremento en la temperatura del agua de alimentación- Se quema menos combustible
- Se producen menos gases a menor temperatura fluyendo hacia el sobrecalentador de convección
- La temperatura del vapor sobrecalentado es menor
Limpieza de las superficies termointercambiadoras.-
en las superficies termointercambiadoras (en el lado de humos), aguas arriba del sobrecalentador:
La eliminación de los depósitos de ceniza acumulados- Aumenta la absorción de éste incrementando la temperatura del vapor
- Reduce la temperatura de los gases que entran en el mismo bajando la temperatura del vapor
Ajuste
de los medios precisos con los que hacer frente a las cambiantes condiciones de operación que se puedan
presentar, para regular la temperatura del vapor a un coste razonable.
Cuando las condiciones de operación se apartan de las de diseño, el ajuste de la temperatura del vapor
es imprescindible, y consiste en ampliar o reducir la superficie del sobrecalentador y/o del recalentador.
Un buen diseño debe prever ésto en la forma más económica posible.
En determinadas unidades, es posible el ajuste reduciendo o ampliando la superficie de vapor saturado,
aguas arriba de la superficie de sobrecalentamiento (en el lado
Estas modificaciones alteran la temperatura de gases a la entrada de estos sobrecalentadores.
Si para incrementar la temperatura del vapor se reduce la superficie de vapor saturado, este tipo
.- Una unidad generadora de vapor representa una gran inversión de capital y se debe dotaragua-vapor).XVIII.-550
de ajuste es relativamente simple y cuesta menos que añadir superficie al sobrecalentador y/o recalentador,
ya que ésto puede ser difícil y costoso, e incluso imposible.
El uso de un revestimiento refractario en áreas selectivas del hogar refrigerado por agua:
- Eleva la temperatura de los humos hacia el sobrecalentador
- Tiene un efecto favorable sobre la combustión y sobre la pérdida por C
inquemadoEl refractario no se debe aplicar nunca en superficies que no toleren la deposición de ceniza, lo que
puede aumentar el coste de mantenimiento.
Para la regulación de la temperatura del vapor, una forma de ajuste simple, barata y efectiva, consiste
en alterar la velocidad másica de los gases que fluyen hacia el sobrecalentador, modificando la posición
de determinados deflectores o cortatiros, si la unidad lo permite.
Esta característica funcional permite variar el control de la temperatura del vapor hasta un 20%,
cuyo límite está fijado por su repercusión sobre la pérdida de tiro y sobre el rendimiento de la caldera. Un
incremento de 10ºF, (6ºC) en la temperatura de los gases a la salida de la caldera, reduce la eficiencia un
0,25% aproximadamente.
Control.-
con el fin de corregir las fluctuaciones que provocan los parámetros de operación, como la producción
de la caldera y la deposición de ceniza en las superficies termointercambiadoras; esta circunstancia
se puede corregir alterando la frecuencia de la operación de los equipos de sopladores.
La operación selectiva de los sopladores de pared del hogar, o la reducción de la producción de vapor
en la unidad, para inducir el desprendimiento de acumulaciones de ceniza desde las paredes del hogar,
puede disminuir la temperatura de los gases que llegan a la superficie del sobrecalentador.
El tiempo que tarda una turbina en llegar a tomar la plena carga se establece de acuerdo con una
curva de seguridad (temperatura del vapor-tiempo).
La retirada de servicio de
El control se necesita para regular la temperatura del vapor, dentro de los límites requeridos,calentadores de agua del ciclo
molinos (pulverizadores) de carbón
, puede afectar a la temperatura del vapor
y, por tanto, requerir el control de esta temperatura.
Para regular la temperatura del vapor se pueden considerar los siguientes parámetros de control:
- La atemperación
- Los cortatiros de dosificación y distribución de gases
- La recirculación de gases hacia el hogar
- El aire
exceso- La selección, ubicación y posición de los quemadores en funcionamiento
- La orientación de los quemadores móviles
- El hogar dividido con fuegos diferenciados
- Los sobrecalentadores autónomos con fuegos independientes
Atemperación.-
en agua a baja temperatura.
Los atemperadores se pueden clasificar en dos tipos: de mezcla y de superficie.
Un ejemplo representativo del diseño del atemperador de mezcla o contacto directo es el atomizador,
en el cual se mezclan el vapor y el medio refrigerante, que puede ser agua y vapor saturado.
En el diseño del atemperador de superficie, que comprende el tipo de recipiente y de calderín, el vapor
está separado del medio refrigerante por la superficie termointercambiadora.
Los atemperadores de superficie se usan raras veces en los diseños ordinarios de calderas para unidades
energéticas, mientras que los de tipo atomizador se usan en todas las unidades que tienen exigencias
de atemperación.
Con ella se regula y limita la temperatura del vapor diluyendo el vapor a alta temperaturaXVIII.-551
El atemperador del sobrecalentador se puede ubicar en una de las dos posiciones siguientes:
- En algún punto intermedio situado entre las dos secciones del sobrecalentador
- A la salida del sobrecalentador
La ubicación ideal de un atemperador de sobrecalentador, en lo que respecta al control del proceso,
debería estar a la salida del sobrecalentador, el control sería directo y no habría tiempo de retraso en la
respuesta del control; ésto conlleva problemas como:
- Se puede arrastrar agua hacia la turbina por el flujo de vapor
- El atomizador no protegería al metal del sobrecalentador del recalentamiento
El atemperador del sobrecalentador ubicado en su interior hace frente a los problemas indicados y
es el que se prefiere; en esta situación:
- La temperatura del vapor que sale del sobrecalentador no sobrepasa la temperatura máxima deseada
- El vapor procedente de los elementos del sobrecalentador de la primera etapa se mezcla a fondo, a la vez que entra en el
sobrecalentador de la segunda etapa a una temperatura uniforme
Por lo que respecta al recalentador, el atemperador se coloca en el lado de entrada del mismo.
El atemperador atomizador del sobrecalentador para la regulación de la temperatura de vapor de la
Fig XVIII.24, es el que ha dado los resultados más satisfactorios.
- Dentro de la tubería de vapor sobrecalentado, a través de una tobera atomizadora, se introduce agua de alta pureza
en el cuello de una sección Venturi, sita en el interior de la tubería de vapor
- Como consecuencia de la acción atomizadora y de la alta velocidad de circulación del vapor a través de la garganta
del Venturi, el agua se vaporiza, se mezcla con el vapor sobrecalentado y lo enfría
- Una característica constructiva importante es la prolongación de la sección Venturi, en un manguito o escudo térmico,
aguas debajo de la tobera atomizadora, lo que protege la tubería de alta temperatura de los choques térmicos
El choque térmico es debido a la presencia de gotitas de agua no vaporizadas, que impactan sobre
la superficie caliente de la tubería.
Para regular la temperatura del vapor, el atemperador atomizador permite una acción rápida y un
control sensible.
Fig XVIII.24.- Atemperador atomizador del sobrecalentador para regular la temperatura del vapor
Es importante que el agua atomizada sea de la más alta pureza, porque los sólidos arrastrados por
el agua pasan al vapor provocando depósitos en los tubos del sobrecalentador, en la tubería y en los álabes
de la turbina. La concentración de sólidos en el agua atomizada por el atemperador no debe superar
2,5 ppm. Una fuente de agua extremadamente pura son las purgas de los calentadores de alta presión
del agua del ciclo, aunque se necesita una bomba de alta presión, resistente a la corrosión.
Hay tres disposiciones posibles de atemperadores, según los requisitos funcionales de la caldera:
- Atemperador de simple etapa.-
entre las etapas del sobrecalentador
Hay que instalar un atemperador simple en cada una de las tuberías de conexiónXVIII.-552
- Atemperador doble.-
en la tubería de conexión entre dos etapas de sobrecalentamiento. Esta disposición se emplea cuando el agua de atomización
excede de la capacidad de un solo atomizador, o bien cuando no se puede lograr el reglaje requerido con un único atomizador
de agua
La aplicación normal exige una válvula de control del atomizador por cada tobera de atomización.
La operación del atemperador doble es secuencial, abriendo en primer lugar y cerrando en último lugar la válvula de
control del atomizador que se encuentra aguas abajo
Es un atemperador de simple etapa, con dos atomizadores de agua dispuestos en serie, instalado- Atemperador de dos etapas.-
entre la primera y segunda etapa del sobrecalentador, y el otro se sitúa entre las etapas segunda y tercera del mismo
En primer lugar se usa el atemperador de la primera etapa, hasta que opere con el máximo flujo atomizador, teniendo
en cuenta la diferencia mínima admisible entre la temperatura del vapor que sale del atemperador y la temperatura de saturación
El atemperador de la segunda etapa se emplea después de que se alcance el límite de flujo en el de la primera etapa
Se utilizan dos atemperadores de simple etapa; uno se coloca en las tuberías de conexiónLa presión de la bomba de alimentación de la caldera debe facilitar la presión requerida en el sistema
del atemperador; si ésto no es posible:
- Se la añade un escalón de presión, o
- Se dispone de una bomba independiente para el agua de atomización, o
- Se pone una válvula en la tubería de alimentación que incremente la resistencia del sistema de caldera hasta los niveles
precisos
Para garantizar una agua de alta calidad en el atomizador, se puede instalar un equipo de limpieza
en el retorno del condensado y agua de aporte hacia los calentadores del ciclo.
XVIII.8.- APLICACIÓN DEL ATEMPERADOR EN CALDERAS DE PRESIÓN UNIVERSAL
Las calderas de presión universal se suministran sin atemperadores en el sobrecalentador; se pueden
incluir para reducir las variaciones de temperatura a la salida del sobrecalentador durante los transitorios.
Los atemperadores del atomizador se instalan entre la salida del
del
presión. El agua del atomizador se suministra desde la entrada al economizador de la caldera.
La atemperación del atomizador corrige, temporalmente, las desviaciones de la temperatura del
vapor principal y no es el medio básico de control de la temperatura del vapor.
En condiciones de régimen permanente, la temperatura del vapor se determina mediante la relación
entre el régimen de fuegos y el flujo de agua de alimentación
sobrecalentadorprimario y la entradasobrecalentadorsecundario, aguas arriba de la válvula de parada o cierre del sobrecalentador de altaCortatiros de distribución de los gases.-
posterior o zona de recuperación de una caldera, se pueden dividir en dos o más pasos independientes de
gases, separados por una pared deflectora o por un tabique, Fig XVIII.3.
El uso de cortatiros en estos pasos de humos permite:
Los bancos tubulares horizontales de convección, en el paso- Distribuir los gases entre las diferentes superficies termointercambiadoras, colocadas en cada uno de ellos
- Regular las temperaturas del vapor recalentado y sobrecalentado
Las consideraciones de diseño son:
- Los cortatiros se deben colocar en una zona de gases fríos, para asegurar su máxima fiabilidad; normalmente se encuentran
aguas abajo de todas las superficies termointercambiadoras de la caldera
- La pérdida de tiro a través de la unidad puede aumentar con combustibles alternativos, por lo que este parámetro se
tiene que optimizar
- El diseño y puesta a punto del sistema de control son muy críticos, ya que la respuesta del control de un cortatiros es
XVIII.-553
más lenta que la de los atemperadores del atomizador; por lo tanto, para el control de transitorios se emplean siempre los
atemperadores de atomizador
- En condiciones de máximo desequilibrio en la distribución de los gases, su temperatura en la zona de cortatiros y las
superficies termointercambiadoras próximas a ellos llegarán a sus valores más altos, por lo que estas temperaturas marcarán
los requisitos de diseño del metal
Para la optimización de los sistemas de control de la temperatura de vapor, los cortatiros de distribución
de gases se combinan con una atemperación por atomizador, y facilitan el ajuste y control a largo
plazo, de las temperaturas del sobrecalentador y del recalentador con una mínima influencia en el
rendimiento global de la unidad. Durante los transitorios, los atemperadores del atomizador facilitan el
control inmediato de temperatura.
Recirculación de humos.-
del recalentado; los humos a la salida de la caldera, economizador o calentador de aire se reintroducen en
el hogar mediante ventiladores y conductos adecuados. Para controlar la temperatura del vapor, el sistema
de gases que los introduce en la zona inicial de combustión del hogar, se conoce como reciclado o
recirculación de humos.
La atemperación de humos es el sistema que introduce los gases reciclados a la salida del hogar,
para controlar su temperatura cuando le abandonan.
Es otro método de controlar la temperatura del vapor sobrecalentado yFig XVIII.25.- Caldera radiante con atemperación de humos para control de temperatura humos salida del hogar
XVIII.-554
La Fig XVIII.25 presenta una aplicación de recirculación de humos a través de la parte superior de
la tolva de ceniza, y otra aplicación de atemperación de humos, a través de la parte superior del hogar,
en una caldera de tipo radiante.
En la mayoría de los casos, los humos para el reciclado se obtienen a la salida del economizador.
El reciclado de humos se realiza de forma que su introducción evite cualquier interferencia en la
combustión del combustible.
Aunque los humos reciclados se pueden utilizar con diversos propósitos, su función básica consiste
en modificar la distribución de la absorción de calor, dentro de la unidad generadora de vapor.
Los humos reciclados facilitan el ajuste de la absorción de calor (que se emplea como parámetro de
diseño de la superficie termointercambiadora), y el control de la distribución de la absorción de calor, en
condiciones operativas variables. Una característica importante de los humos reciclados es que su utilización
modifica sólo la absorción de calor a lo largo del generador de vapor, siendo su influencia despreciable
sobre la absorción global de la caldera, y sin apenas modificación de los humos enviados a la chimenea.
El efecto térmico del humo reciclado depende de
la cantidad de humo reciclado
la ubicación del punto de introducción
el régimen de desprendimiento de calor en el hogar
La Fig XVIII.26 indica, para un reciclado de humos introducidos por la tolva del hogar, la variación
en la absorción de calor. La introducción de los gases en este punto produce una reducción notable de la
absorción de calor en el hogar, aumentando la absorción de calor en la zona de convección.
Fig XVIII.26.- Efecto de la recirculación de humos sobre la distribución de absorción de calor para un régimen constante de fuegos
La absorción de calor en el hogar depende de la temperatura de los gases y su distribución, ya que
aquí el calor se transfiere principalmente por radiación; la introducción del reciclado de gases en la tolva
del hogar reduce su absorción modificando la distribución de temperaturas de los gases en el hogar.
La mayor parte del calor absorbido por el sobrecalentador, el recalentador y el economizador se
transfiere por convección, y depende de la temperatura de los gases y del régimen del flujo másico de los
mismos; ambos parámetros están afectados por el reciclado de humos.
Cuando la velocidad másica de gases que fluyen a través del banco de convección se incrementa por
la recirculación de humos, la cantidad de calor transferido puede aumentar, disminuir o quedar invariable,
según sean las alteraciones producidas entre la temperatura y puesta en servicio de los gases que
entran en el banco.
Las Fig XVIII.26 y 24 ilustran el efecto del reciclado de los gases, según se introduzcan en la tolva o
XVIII.-555
en un punto próximo a la salida del hogar.
La Fig XVIII.26 presenta una condición en la que la temperatura de los humos que salen del hogar,
que es la temperatura de los humos que entran en el
el reciclado de gases; si la cantidad de humos reciclados aumenta, la absorción de calor en el
sobrecalentadorsecundario, permanece invariable consobrecalentadorsecundariose incrementa.
La absorción de calor en el recalentador,
lugar el incremento mayor en el lado frío de la unidad.
Mientras el reciclado de humos hacia la tolva del hogar reduce siempre la absorción de calor en el
mismo, su influencia sobre la temperatura de los gases a la salida del hogar depende del régimen del hogar,
que puede aumentar, disminuir o quedar inalterable, Fig XVIII.26.
Los gases reciclados que se introducen por la tolva del hogar reducen la temperatura de los humos a
la salida del mismo, cuando la unidad opera con cargas elevadas y, por el contrario, la temperatura aumenta
en el caso de cargas bajas.
En la Fig XVIII.27 se presenta el efecto de introducir los gases de atemperación en un punto próximo
a la salida del hogar.
sobrecalentadorprimario y economizador aumentan, teniendoFig XVIII.27.- Efecto de la atemperación de humos sobre la distribución de absorción de calor para un régimen constante de fuegos
Como la parte del hogar, en que la absorción de calor es mayor, no queda afectada por el reciclado
de los gases de combustión, la absorción de calor en el hogar disminuye ligeramente. Sin embargo, a la
salida del hogar hay un notable descenso en la temperatura de los gases, provocado por la dilución de los
gases calientes de la combustión en el gas reciclado más frío.
Como consecuencia de la ubicación del recalentador, Fig XVIII.27, su absorción se mantiene constante,
independientemente del porcentaje de humos extraído correspondiente a la atemperación de humos.
La introducción de los humos reciclados en un punto intermedio produce absorciones de calor y
temperaturas de humos que se sitúan entre las señaladas.
Exceso de aire.-
pueden aumentar la temperatura en el sobrecalentador de convección, disminuyendo la absorción de calor
en el hogar, incrementando el
Los gases que van hacia la chimenea, provocan mayores pérdidas de calor sensible; la caída del
rendimiento de la caldera se compensa con el aumento del rendimiento de la turbina.
En el caso de un calderín que opera a cargas parciales, los operadores saben queaireexceso comburente.Selección de quemadores.-
requeridos por la carga; para cargas inferiores a la carga nominal se pueden obtener temperaturas más
La temperatura del vapor se puede regular seleccionando los quemadoresXVIII.-556
altas, funcionando sólo los quemadores que proporcionan la máxima temperatura de gases a la salida
del hogar.
Cuando se necesita disminuir la temperatura del vapor, los fuegos se deben cambiar a los quemadores
inferiores. Este método de control se mejora mediante una adecuada distribución de los quemadores
a lo largo de la altura de la pared del hogar, o instalando un quemador especial próximo a la salida de
los gases del hogar.
La regulación de la temperatura del vapor, modificando la distribución de la absorción de calor en el
hogar, se puede realizar también empleando quemadores orientables, para subir o bajar la zona principal
de combustión, dentro del hogar.
Hogares con diferentes caldeos.-
desde una de las secciones del hogar, mientras que la otra sólo facilita calor para la generación de vapor
saturado o para enviar gases calientes al recalentador.
La temperatura del vapor se regula modificando el aporte de combustible entre los dos hogares. En
principio, esta disposición es similar a la de un sobrecalentador autónomo (con fuego independiente), que
en el pasado se utilizó ampliamente en aplicaciones navales. El control de la temperatura de vapor mediante
un hogar dividido con caldeos independientes, actualmente no se utiliza en proyectos nuevos.
En algunos hogares divididos, el sobrecalentador recibe calor sóloSobrecalentadores autónomos.-
de vapor, y que está caldeado exclusivamente con un fuego, se puede utilizar para una o varias
calderas de vapor saturado; esta disposición no es económica para plantas de generación de energía, ya
que normalmente precisan de una gran cantidad de vapor de alta temperatura.
Un sobrecalentador que está totalmente separado de la unidad generadoraTemperatura del vapor recalentado
y los métodos de ajuste y control para llevarla acabo, son los mismos que para el vapor sobrecalentado.
En una unidad con calderín:
.- La necesidad de regular la temperatura del vapor recalentado- La eliminación de parte de la superficie de calentamiento de la caldera aguas arriba del recalentador para incrementar
la temperatura del vapor sobrecalentado
- La reducción de la superficie del sobrecalentador con el fin de disminuir la temperatura del vapor sobrecalentado
da lugar a un aumento de la temperatura del vapor recalentado, que puede ser inadmisible.
Para reducir la temperatura de los humos a niveles inferiores a la temperatura de escorificación en
los bancos tubulares de convección, al tiempo que se alcanza la temperatura de vapor deseada, una
gran parte del aporte total de calor se tiene que absorber en el hogar, en el sobrecalentador y en el recalentador;
de modo que no haya superficie de caldera disponible aguas arriba del sobrecalentador.
Algunas calderas disponen de una cierta división del hogar, mediante pantallas o paredes divisorias
refrigeradas por agua, que pueden servir como superficies de ajuste, si lo permite la temperatura de los
gases a la salida del hogar.
XVIII.9.- SISTEMAS BIPASO Y PUESTA EN SERVICIO
Las calderas de alta presión con calderín y para las calderas de presión universal de proceso directo
deben responder a los cambios operativos que se requieren en las grandes plantas de generación de
energía que queman combustibles fósiles, lo que exige puestas en servicio y cambios de producción rápidos,
frecuentes y fiables, para hacer frente a una producción económica de electricidad.
Durante la puesta en servicio, o en condiciones de baja producción inferior al 20%, los sistemas de
control de la temperatura del vapor mediante atemperadores con atomizador de agua, resultan inefica-
XVIII.-557
ces por cuanto la temperatura del vapor a la salida tiende a ser la misma que la temperatura de los humos,
debido a que el flujo de humos es muy superior al flujo de vapor, por lo que habrá que tomar medidas
para asumir esa gran diferencia en los flujos, junto a las necesidades de presión y temperatura del
vapor en la turbina y en la caldera.
Para cumplimentar estos requisitos en las calderas con calderín y en las calderas de presión universal
de proceso directo, se han desarrollado tres sistemas de bipaso y puesta en servicio.
Sistema bipaso de caldera con calderín.-
tuberías y válvulas, Fig XVIII.28. Una sonda se encarga de monitorizar y vigilar la temperatura de los
gases en los tubos de salida del sobrecalentador y del recalentador, para facilitar el control de los regímenes
de fuego y la temperatura de los gases durante la puesta en servicio.
Consiste en un sistema de control y un conjunto deFig XVIII.28.- Diagrama sistema bipaso de caldera con calderín
El sistema bipaso de caldera radiante realiza las siguientes funciones:
- Minimiza el tiempo de puesta en servicio
- Controla las retiradas de servicio con vistas a la nueva puesta en servicio
- Facilita el control de la temperatura del vapor para equipararlo a la temperatura del metal de los álabes de la turbina
- Opera a presión dual
Estas características reducen las tensiones en la turbina, con lo que se consigue mejorar su disponibilidad
y los costes de mantenimiento.
Tiempo de puesta en servicio.-
en servicio desde el estado frío, ya que el sistema controla las diferencias de temperatura de:
El sistema bipaso reduce el tiempo necesario para realizar la puesta- La superficie de la caldera de vapor saturado
- La superficie del sobrecalentador
- El metal de la turbina
lo que se realiza mediante el control directo de la temperatura del vapor, (mezcla de vapor saturado y del
que sale del sobrecalentador y del recalentador), tal como se indica en la Fig XVIII.28. Esta disposición
XVIII.-558
facilita la temperatura idónea de vapor para la turbina, sin restricción alguna en el régimen de fuegos
para la puesta en servicio de la caldera.
Cambio rápido de la carga.-
que permite operar a presión dual, controlando independientemente la presión de admisión en
la turbina y la presión en el calderín de la caldera.
El sistema de control durante los cambios de producción tiene que facilitar el funcionamiento de los
principales componentes de la caldera a presión constante, y el de la turbina a presión variable.
La operación a presión dual minimiza las solicitaciones térmicas en la caldera y en la turbina; una
retirada de servicio a presión dual, mantiene
El sistema tiene un juego de válvulas de cierre y de control del sobrecalentador,la caldera muy próxima a su presión máxima
la turbina muy próxima a su temperatura máxima
, con vistas a
una rápida nueva puesta en servicio.
Esta forma de operar a presión dual es muy útil y se emplea en el caso de parada y posterior puesta
en servicio, que implica el trabajo cíclico a dos turnos, con el fin de mantener la turbina y la tubería de
vapor próximas a su máxima temperatura, para facilitar una rápida puesta en servicio con mínimas
solicitaciones.
Tabla XVIII.2.- Funciones asociadas a algunas válvulas
Válvula Función
Válvula de cierre (parada) del sobrecalentador secundario
(a) Separa el sobrecalentador secundario del resto del generador de vapor
Está cerrada cuando se emplea el sistema bipaso
Se diseña para abrir por encima del 70% de carga
Válvula de bipaso de la válvula (a)
(b) Controla la presión del vapor que sale del sobrecalentador secundario, inferior a la del calderín,
para puesta en servicio, para operación a presión variable y para atemperación del vapor
La capacidad de diseño es del orden del 70% del flujo de diseño de la caldera
Válvula de control de bipaso del sobrecalentador primario al condensador
Facilita los fuegos para controlar la temperatura de los humos entrando en el sobrecalentador,
(h) para lograr una alta temperatura de vapor durante la puesta en servicio
Se emplea principalmente en la puesta en servicio en caliente y en la retirada de servicio
Cierra a cargas mayores del 20% de la nominal
Válvula de control del atemperador de salida del vapor principal
(c) Reduce la temperatura del vapor principal para equilibrrla con la del metal del primer escalón de la turbina
durante la puesta en servicio en frío y tras la parada de fin de semana
Cierra a cargas superiores al 20%
(d) Válvula de cierre que facilita la incomunicación cuando la válvula (c) esté cerrada
Válvula de control del atemperador de salida del vapor recalentado
(e) Reduce la temperatura del vapor recalentado para equilibrarse con la de zonas no purgables,
durante puesta en servicio “fría”, y puesta en servicio “templada” tras parada de fin de semana
Cierra a cargas del orden del 20%
(f) Válvula de cierre que facilita la incomunicación cuando la válvula (e) esté cerrada
Válvula de cierre de bipaso del sobrecalentador primario
(g) Se usa para incomunicar el sistema bipaso durante la operación normal
Cierra cuando están cerradas las válvulas (c), (e) y (h)
La flexibilidad del sistema bipaso permite su adaptación a gran parte de las situaciones operativas;
se puede amoldar a un mal funcionamiento de la turbina, desde el sincronismo hasta puntos concretos
de la carga, ajustando la temperatura y el flujo de vapor.
Aunque el sistema bipaso mejora la operación de la unidad, la caldera puede operar en todo momento
como una unidad convencional sin bipaso. Las válvulas de la Fig XVIII.28, con sus funciones asociadas,
facilitan la flexibilidad requerida del sistema, según se resume en la Tabla XVIII.2.
Control de la presión del calderín y a la salida del sobrecalentador.-
a las paradas nocturnas, los humos que salen del hogar se mantienen a alta temperatura, para así
En la puesta en servicio que sigueXVIII.-559
mantener alta la temperatura del vapor principal y del vapor recalentado.
La superficie de la caldera se puede aislar de la superficie del sobrecalentador mediante las válvulas
de cierre (a) y de bipaso (b) del
del calderín, la caldera puede operar con los fuegos al régimen deseado, mientras las presiones en el
sobrecalentadorsecundario. Para elevar la temperatura del vapor o la presiónsobrecalentador
calderín aumenta rápidamente, o alcanza su límite, la válvula bipaso (h) del
la presión del calderín hacia el condensador, evitando que el condensado vaya a sumidero.
secundario y a la entrada de la turbina de alta presión se mantienen bajas. Si la presión delsobrecalentadorprimario descargaControl de la temperatura del vapor recalentado.-
de la temperatura del vapor recalentado se mantiene por medio de la válvula (e) del atemperador de vapor.
Antes de que el vapor entre en la turbina, el recalentador no tiene flujo alguno de vapor; los tubos del
recalentador absorben calor de los gases y pueden alcanzar la temperatura de los mismos, del orden de
1000ºF (538ºC). Para la puesta en servicio en frío y templada (tras la retirada de servicio correspondiente
a un fin de semana), cuando el vapor atraviesa el recalentador y comienza a entrar en la turbina
de MP, la temperatura del vapor recalentado sube rápidamente hasta alcanzar la de los gases, provocando
un importante desequilibrio con la temperatura de las zonas no purgables del vapor recalentado
en la turbina.
Los atemperadores de atomización con agua no son efectivos a bajas cargas; la temperatura del
vapor recalentado se controla mediante la temperatura de los gases en los bancos de convección.
La atemperación del vapor recalentado, con vapor saturado procedente del calderín, limita el aumento
de la temperatura del vapor a la salida del recalentador.
Durante la puesta en servicio y parada, el controlControl de la temperatura del vapor principal.-
controla la temperatura del vapor que sale del sobrecalentador.
Los atemperadores de atomización de agua no son efectivos para bajas cargas de la caldera, ya que
la temperatura del vapor sobrecalentado viene definida por la temperatura de los gases en los bancos
tubulares del sobrecalentador; por lo tanto, la temperatura del vapor sobrecalentado se controla mediante
una válvula del atemperador de vapor, empleando vapor saturado procedente del calderín para
reducir la temperatura.
La válvula (c) del atemperador del vapor sobrecalentadoPuesta en servicio fría.-
en el calderín de la caldera, o que los gases del hogar están a la temperatura ambiente; la temperatura
correspondiente al metal de la turbina es inferior a 300ºF (150ºC), y por ello es necesario un precalentamiento.
Es la puesta desde el estado frío en el que la unidad no tiene presión algunaPuesta en servicio templada.-
de 2 días, como puede ser el caso un fin de semana; la temperatura del metal de la turbina es del orden
de los 300ºF (150ºC) y la presión del calderín es elevada del orden de 500 psig (34,5 bar).
Es la de una unidad que ha estado retirada de servicio o parada, del ordenPuesta en servicio caliente.-
unidad que ha estado retirada del servicio o parada del orden de 6 a 8 horas. La caldera se mantiene sellada
para que se conserve la máxima energía interna. La presión del calderín es bastante alta, mientras
que el vacío en el condensador se mantiene normal.
La temperatura del metal de la turbina es del orden de 900ºF (482ºC); tras una controlada retirada
de servicio se puede producir en el metal de la turbina una caída de temperatura de unos 100ºF (56ºC),
por lo que la mínima temperatura de vapor que se precisa para la nueva puesta en servicio es del orden
de 800ºF (427ºC). Cuando el recalentador no tiene flujo alguno en su interior, la temperatura del vapor
es menor que la temperatura de los gases entrantes al sobrecalentador.
También llamada arranque en caliente, es la puesta en servicio de unaXVIII.-560
Si una unidad está retirada de servicio, pero se encuentra preparada para una rápida entrada:
- La temperatura del metal de la turbina debe ser de 1000ºF (538ºC)
- La presión del calderín debe ser la que había en el momento del disparo de la unidad
Para alcanzar la temperatura precisa de gases, se pueden mantener los fuegos en el hogar y purgar
el exceso de vapor hacia el condensador.
Retirada de servicio.-
el sistema bipaso para facilitar las operaciones que siguen a la retirada de servicio. Si en la unidad están
programados trabajos de mantenimiento, la temperatura del metal de la turbina y la presión en la caldera
se deben conservar lo más bajas posible, cuando todavía tenga algo de carga la unidad.
La presión en la admisión se controla por medio de la válvula (b), y la atomización necesaria para
reducir las temperaturas del vapor y del metal, de acuerdo siempre con las curvas de enfriamiento, se
controla con las válvulas (c) y (e).
Una vez desconectada o disparada la unidad, los ventiladores del generador de vapor se deben mantener
en servicio para refrigerarlo.
Cuando la producción de una unidad se va reduciendo a cero, se puede emplearOperación a presión variable.-
puede aumentar a cargas parciales, si la presión de la caldera se reduce con la producción; este modo
operativo se identifica como operación a presión variable.
La válvula de cierre (a) del
unidad a un nivel de presión constante en el calderín y en el
de salida del
temperatura del vapor de la turbina en el nivel deseado, en un campo de cargas mucho mayor que el que
se podría lograr con la operación a presión constante en la admisión.
Cuando se opera a cargas reducidas manteniendo constante la presión en el calderín y en el
se facilita un rápido aumento de la producción.
En la mayoría de los casos, el consumo de calor que tiene la unidad sesobrecalentadorsecundario y la válvula de bipaso (b), permiten operar a lasobrecalentadorprimario, mientras que la presiónsobrecalentadorsecundario varía con la producción. En estas condiciones se mantiene lasobrecalentadorprimario,Puesta en servicio sin sistema bipaso.-
sistema de bipaso. La apertura completa de la válvula (a) permite una puesta en servicio de la unidad
como una caldera convencional con calderín.
La unidad se puede poner en servicio y operar sin utilizar elSistema de puesta en servicio de calderas de presión universal.-
para los sistemas de puesta en servicio de unidades de presión universal y de bipaso, es la necesidad de
diseñar flujos mínimos de circulación en los circuitos de alta absorción de calor, para su adecuada refrigeración,
antes de que se encienda la caldera.
Otras características incluyen:
Un requisito fundamental- La provisión de un bipaso de turbina, hasta que se equilibren la presión y la temperatura correspondientes del vapor
- La reducción de la presión y temperatura en el flujo del bipaso, antes de que el vapor penetre en el condensador y en el
equipo auxiliar
- La recuperación de calor durante la puesta en servicio
- La provisión de suficiente agua limpia para la completa puesta en servicio
Existen dos sistemas de puesta en servicio para las calderas de presión universal:
- Funcionamiento a presión constante en la caldera, en cualquier rango de cargas
- Funcionamiento a presión variable en la caldera, en cualquier rango de cargas
Sistema de puesta en servicio a presión constante.-
de un separador de vapor o tanque de expansión, ubicado en un bipaso, que se puede aislar de la
Para este tipo de puesta en servicio se disponeXVIII.-561
caldera durante la operación normal, Fig XVIII.29.
Durante la puesta en servicio y en operaciones a cargas bajas, la bomba de agua de alimentación
suministra el flujo mínimo requerido de agua de alimentación, para proteger los circuitos del hogar.
Fig XVIII.29.- Diagrama sistema puesta en servicio de caldera de presión universal, operando a presión constante en el hogar
El fluido que sale del
de presión (E) hacia un tanque de expansión, en el que la mezcla
el período de puesta en servicio.
El nivel del agua del tanque de expansión se controla mediante las válvulas de purga (R) y (N)
Para lograr la máxima recuperación de calor la válvula (R) controla el flujo hacia el ·desaireador térmico;
el exceso de agua que supere la capacidad del desaireador se descarga al condensador a través de
la válvula (N). Si las purgas no están dentro de los límites de calidad del agua, todo el flujo se conduce a
través de la válvula (N) hacia el condensador .
La válvula de bloqueo (K) permanece cerrada hasta que exista un determinado nivel en el tanque de
expansión, con el fin de asegurar que el agua no entre en las tuberías de vapor.
Una vez establecido el nivel, la válvula (K) permite el paso hacia la tubería que va desde el tanque
de expansión al desaireador, manteniendo la presión en el desaireador que controla la válvula (T); ésto
permite retornar todas las purgas hacia el condensador, a través de la válvula (N), durante el período de
depuración en caliente, sin utilizar una fuente de vapor auxiliar que mantenga la presión en el desaireador,
sirviendo también para recuperar el calor en el tanque de expansión, durante la depuración.
La conexión entre el tanque de expansión y la entrada del
la válvula de bloqueo del
sobrecalentadorprimario a la máxima presión,se envía a través de la válvula reductoraagua-vapor se separa durantesobrecalentadorsecundario, aguas abajo desobrecalentadorsecundario y de la válvula de control/parada (B), se realiza mediante:- La tubería de vapor de baja presión
- La válvula de retención (C) del sobrecalentador de baja presión
- La tubería aguas abajo del vapor de alta presión
XVIII.-562
Para el calentamiento de las tuberías de vapor, una vez establecido el nivel en el tanque de expansión,
la válvula (C) se abre a 300 psig (20,7 bar), y el vapor seco fluye hacia el
La válvula bipaso (J) de la turbina se abre a 300 psig (20,7 bar) de presión en la tubería de vapor
principal (sobrecalentado), para colaborar en el calentamiento y vaporización del sobrecalentador, durante
el período inicial de la puesta en servicio. Cuando haya suficiente vapor disponible, empieza el accionamiento
de la turbina y se lleva a su velocidad nominal.
El exceso de vapor no requerido, que se separa en el tanque de expansión, se descarga hacia el condensador
a través de la válvula (M), la cual actúa también como válvula aliviadora de la sobrepresión,
para evitar el disparo de las válvulas de seguridad (accionadas por resorte) que hay en el tanque de expansión;
la válvula (M) se puede tarar para mantener diferentes presiones en el tanque de expansión,
durante la puesta en servicio.
El sistema bipaso se dimensiona para manipular el flujo mínimo requerido durante la puesta en
servicio y para facilitar la operación en el tanque de expansión a mínima carga.
El transitorio desde la operación sobre el tanque de expansión hasta el flujo de proceso directo, se
efectúa a mínima carga; como el vapor que entra y sale del tanque de expansión es seco y sobrecalentado,
el cambio de flujo a través del bipaso hasta el proceso directo se cumplimenta con una mínima fluctuación
en la temperatura del vapor, mediante la apertura de la válvula de bloqueo (A) y de la válvula
combinada de cierre/control (B), y también con el cierre de las válvulas bipaso (E) y (C).
sobrecalentadorsecundario.Control de la temperatura del vapor.-
(sobrecalentado) y del recalentado, en las diversas fases de funcionamiento normal, no son efectivos durante
la puesta en servicio y a cargas muy bajas.
El sistema de puesta en servicio, Fig XVIII.29, incluye el equipo de atemperación del vapor, desde el
tanque de expansión hacia los colectores de salida del vapor principal y del recalentado, para controlar
las condiciones del vapor, y así cumplimentar los requisitos de temperatura del metal de la turbina.
La válvula del atemperador (G) del vapor de salida del sobrecalentador se utiliza con cargas inferiores
al 20%, para introducir vapor saturado desde el tanque de expansión hacia el colector de salida del
sobrecalentador.
Para el arranque en frío, el accionamiento inicial de la turbina se hace con vapor saturado, que pasa
desde el tanque de expansión a través de la válvula (G); este vapor se puede mezclar con una determinada
cantidad de vapor que pasa a través de la válvula (C) y del
la temperatura de entrada a la turbina de alta presión por debajo de los 550ºF (288ºC).
La válvula de control (D) facilita la caída de presión, entre el tanque de expansión y el colector de
salida del
La válvula del atemperador (J) del vapor de salida del recalentador se utiliza con cargas inferiores
al 20% de la plena carga, para introducir vapor del tanque de expansión en el colector de salida del recalentado.
La relación entre flujos a través de la válvula del atemperador y el de la turbina de alta presión
se limita, fundamentalmente, por consideraciones relativas a la turbina y a su control.
Los medios para controlar la temperatura del vapor principalsobrecalentadorsecundario, para controlarsobrecalentadorsecundario, con vistas a la atemperación.Reducción de la sobrepresión.-
en la caldera, en un disparo de carga; ésto se realiza mediante el empleo de la válvula (E), que envía
el exceso de vapor al el tanque de expansión.
El sistema bipaso se utiliza también para reducir una presión excesivaSistema de puesta en servicio a presión variable.-
de operar a presión variable en la caldera, a cualquier tipo de cargas, el sistema de puesta en servicio
Para unidades de presión universal capacesXVIII.-563
tiene un separador de vapor ubicado en el circuito del flujo del vapor principal (sobrecalentado), aguas
arriba del
La bomba de alimentación de la caldera suministra el mínimo flujo de agua de alimentación requerido
durante la puesta en servicio y funcionamiento a cargas bajas, para proteger los circuitos del hogar
de la caldera.
En el circuito de puesta en servicio se incluyen:
sobrecalentadorprimario, Fig XVIII.30- El economizador
- El cerramiento del hogar
- Los pasos apantallados (en unidades que tengan pantallas aguas arriba del sobrecalentador
- El separador de vapor
primario)La mezcla
a cargas bajas. La unidad se pone en servicio con la caldera a baja presión, para obtener la máxima
cantidad de vapor, al comienzo de la puesta en servicio; las válvulas (15) y (11) controlan las purgas
desde el separador; la válvula (15) controla también el flujo hacia el desaireador, con vistas a la máxima
recuperación de calor.
agua-vapor se separa en el separador vertical, durante la puesta en servicio y funcionamientoFig XVIII.30.- Diagrama sistema puesta en servicio de caldera de presión universal, operando a presión variable en el hogar
La válvula de bloqueo (5) permanece cerrada hasta que llega al separador una mezcla
y se abre en el momento en que se active el indicador de alto nivel en el separador, para evitar que el
agua penetre en el sobrecalentador y en el recalentador, a través de los atemperadores de vapor; durante
el acondicionamiento en caliente, una vez abierta la válvula (5), la tubería de vapor del desaireador
mantiene su presión (controlada por la válvula 17), lo que permite el retorno de todas las purgas hacia el
condensador, a través de la válvula (11), sin necesidad de usar una fuente de vapor auxiliar. También
sirve para recuperar el calor del vapor separado durante el período de acondicionamiento.
Para el calentamiento de las tuberías de vapor durante la etapa inicial de la puesta en servicio, se
establece un flujo de vapor desde el sobrecalentador a través de las purgas de la tubería de vapor princi-
agua-vapor,XVIII.-564
pal y de la válvula (8).
Conforme aumenta la entalpía del fluido que entra en el separador, las purgas van disminuyendo
hasta que llega vapor seco al separador.
A partir de este momento, las válvulas de purga se cierran, el desaireador se controla con el vapor
procedente de la correspondiente extracción de la turbina y la unidad pasa a operar en proceso directo,
con todo el flujo de vapor dirigiéndose hacia la turbina.
Válvulas de presión dual.-
que siguen a paradas nocturnas, la temperatura de los gases se mantiene elevada, con el fin de
conservar las altas temperaturas del vapor principal (sobrecalentado) y del recalentado, lo que produce
una subida excesivamente rápida de la presión de admisión, que no es conveniente porque cuando se admite
vapor en la turbina se provoca una enorme caída de la temperatura de admisión.
Mediante la válvula combinada de cierre y de control (2) del sobrecalentador, la superficie de caldera
se puede independizar de la superficie del
El fuego en exceso requerido para subir y mantener la temperatura del vapor, se puede aprovechar
para subir la temperatura de saturación o la presión de la caldera, mientras se mantienen bajas presiones
en el
La operación con dos presiones permite regímenes más rápidos en los cambios de carga, ya que
como la presión y la temperatura de la caldera se pueden mantener más elevadas, la unidad responde
también más rápidamente a cualquier cambio de carga.
En la puesta en servicio desde el estado caliente y en las puestas en serviciosobrecalentadorsecundario.sobrecalentadorsecundario y en la entrada a la turbina de alta presión.Bipaso de sobrecalentador a condensador.-
cuando se hace la puesta en servicio con la válvula de cierre del sobrecalentador abierta, la válvula (9)
de bipaso del sobrecalentador al condensador, facilita un medio de control de la presión de la caldera, durante
las condiciones de puesta en servicio desde el estado caliente.
Durante el transitorio de toma de carga que sigue a la puesta en servicio caliente, la válvula bipaso
del sobrecalentador (9) se abre para permitir mayores regímenes de fuegos y mantener el incremento de
la temperatura del vapor, hasta que la caldera alcance la carga de control.
El bipaso del sobrecalentador al condensador se emplea:
Cuando se alcanza la máxima presión en la caldera, o- Para descargar el exceso de presión en la caldera, en el caso de un disparo de la carga
- Como válvula aliviadora de la sobrepresión, para evitar el disparo de las válvulas de muelle de seguridad
Control de la temperatura del vapor.-
para la atemperación con vapor saturado. Este vapor se toma aguas abajo del separador y se inyecta
en los colectores de salida del vapor sobrecalentado y del recalentado, para controlar las condiciones
del vapor durante la puesta en servicio, y cumplimentar los requisitos de temperatura del metal de la
turbina.
La válvula (4) del atemperador de vapor de salida del sobrecalentador se utiliza de forma análoga a
la válvula (G) del caso anterior.
La válvula (2) se utiliza para obtener la caída de presión necesaria, entre el separador y el colector
de salida del
La válvula (7) del atemperador de vapor de salida del recalentador se usa para cargas inferiores al
20% de la plena carga, para introducir vapor del separador en el colector de salida del recalentado.
La relación de flujos, entre el que atraviesa la válvula (7) del atemperador y el que pasa por la turbina
de alta presión, está limitado por consideraciones sobre la turbina y el control de la misma.
El sistema de puesta en servicio indicado incluye un dispositivosobrecalentadorsecundario, con vistas a la atemperación.XVIII.-565
Regímenes permisibles en los cambios de carga.-
en componentes de caldera para diversos modos de operación, Fig XVIII.31. El mayor tiempo que
se requiere para un cambio de carga, funcionando a presión variable, se debe a:
Están basados en regímenes de cambio de temperatura- Una mayor variación en la temperatura del cerramiento del hogar
- A la necesidad de restringir la velocidad del cambio de temperatura
para evitar roturas de las uniones de la envolvente de las paredes de cerramiento.
Con funcionamiento a presión dual, el cerramiento del hogar permanece prácticamente a presión y
temperatura constantes.
Curva Tipo de operación Presión admisión Presión caldera
1 Variable Variable Variable
2 Dual Variable Constante
3 Constante Constante Constante
Fig XVIII.31.- Regímenes permisibles de cambios de carga, para tres operaciones de la caldera
Con funcionamiento a presión variable, el colector de entrada del
un amplio cambio de temperatura; el tiempo necesario para el cambio de carga se basa en la limitación
de la velocidad del cambio de temperatura relativa al colector de salida.
Si toda la unidad opera a presión constante, para la velocidad del cambio de carga no existe ningún
límite impuesto a la caldera, excepto la velocidad del posible cambio del equipo de fuegos.
Con un gran cambio de carga, la velocidad esperada por minuto sería un 5% de la de plena carga.
sobrecalentadorsecundario experimentaXVIII.-566
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