Generadores de vapor para recuperación de calor. Opciones de diseño

Un generador de vapor para recuperación de calor (HRSG) es un intercambiador de calor diseñado para capturar el calor a la salida de los generadores de fuerza motriz en plantas de generación de energía, tales como las turbinas de gas o los grandes motores recíprocos. En este artículo revisamos los últimos avances tecnológicos, las opciones de diseño y los beneficios que pueden obtenerse aplicando esta tecnología. Los generadores de vapor para recuperación de calor pueden usarse para obtener vapor y utilizarlo en diferentes aplicaciones de la industria de procesos. Si no se necesita el vapor, puede utilizarse para generar electricidad utilizando una turbina de vapor. Usado en cogeneración, la tecnología HRSG puede ayudar a aumentar la eficiencia de la planta hasta un 85-90 %, obteniendo asimismo beneficios medioambientales destacables. Si bien existen varios modelos constructivos, la tecnología HRSG consiste esencialmente en series de tubos montados en la trayectoria de salida de los gases de escape. Los gases circulan junto a los tubos a temperaturas de 430-650 ºC y calientan el agua que circula por su interior. HRSG absorbe el calor principalmente por convección, aunque en algunas secciones de los tubos también se absorbe por radiación. El agua de los tubos se calienta a temperaturas del entorno de los 200 ºC, por lo cual es fácil obtener vapor.

Los sistemas HRSG son grandes y complejos, y su diseño, fabricación e instalación no es una tarea sencilla. El tamaño de las grandes turbinas de gas excede los límites permitidos para el transporte por carretera, por lo que se suministran en secciones modulares que son ensambladas en la planta. Las centrales más pequeñas, usualmente menos de 20 Mw, se suministran en unidades completamente ensambladas.

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE HRSG

Un equipo HRSG está formado por tres partes principales: Baja presión (LP); presión intermedia/recalentamiento (IP); y alta presión (HP) – Se trata de un sistema triple, por lo que se consigue maximizar la eficiencia térmica de la planta. Cada sección tiene un depósito de vapor y una sección de evaporador donde el agua se convierte en vapor. El vapor posteriormente pasa a través de superheaters para elevar la temperatura y presión, alcanzando el punto de saturación. Mediante válvulas derivadoras se regula el flujo de entrada, permitiendo que continúe la operación cuando no hay demanda de vapor. Un equipo HRSG tiene cuatro equipos principales – evaporador, sobrecalentador, economizador y depósito de vapor. Conozcamos las características esenciales de cada uno de ellos.

1. Evaporador: En el evaporador el calor de los gases de salida de la turbina transforman el agua de los tubos en vapor. El evaporador es el elemento esencial y define la configuración del HRSG.
2. Sobrecalentador: La función de este equipo es secar el vapor saturado del depósito de vapor. Normalmente se calienta solamente un poco por encima del punto de saturación, pero a veces a una temperatura mucho mayor, para conseguir un almacenamiento adicional de energía.
3. Economizador: La función del economizador es precalentar el agua de alimentación, y reemplazar el vapor que se pierde en el circuito, y las pérdidas de agua a través de la purga.
4. Depósito de vapor: Normalmente hay dos – HP y LP. Los internos incluyen los separadores primarios y secundarios, además de los canales o cámaras necesarios para colectar el vapor y la mezcla de agua de las columnas.

NUEVOS DESARROLLOS

Los componentes de los HRSG tienen las paredes bastante gruesas. Los cambios en la carga tienen que ser relativamente lentos e infrecuentes para evitar daños por tensiones. Tales limitaciones pueden limitar seriamente las capacidades de arranque rápido de las turbinas de gas. Para subsanar este problema, las turbinas de gas más recientes han introducido un nuevo desarrollo, el generador de vapor "one through" (OTSG), que no tiene el depósito de vapor convencional, ni tuberías interconectadas. La tecnología OTSG puede operar a temperaturas supercríticas, por lo cual la eficiencia energética del equipo aumenta notablemente. Se consigue reducir la inercia térmica y por tanto se facilitan arranques fríos más rápidos. La tecnología OTSG se utiliza en la planta de cogeneración Whitby, en Ontario, con una potencia nominal de 51 Mw – que trabaja con una turbina de gas Trent de Rolls Royce. Se ha conseguido una planta muy flexible, adaptada a unas necesidades de vapor cambiantes.

También Siemens está trabajando en la optimización de la tecnología HRSG. Para ello planea superar la eficiencia térmica reducida del encendido suplementario, para ello ha diseñado un ciclo combinado de encendido complementario (CFCC). Esta tecnología utiliza turbinas de gas con un dimensionado fraccionado, recuperando calor mediante HRSG, y asociadas a la turbina de gas base. Según los ingenieros de Siemens, esta configuración ofrece una eficiencia de carga pico muy alta.

Bibliografía: Heat recovery steam generators, design options and benefits. Cogeneration & On-site power production may-june 2008.
Palabras clave: Heat recovery steam generator (HRSG), once through steam generator (OTSG), Complementary Fired Combined Cycle (CFCC), prime mover