Nuevos materiales avanzados para turbinas y calderas trabajando a temperaturas supercríticas

Varios proyectos de I+D buscan desarrollar tecnologías de materiales para la construcción de calderas y turbinas capaces de operar en condiciones de vapor supercrítica avanzadas en las plantas de carbón pulverizado. En Estados Unidos, un ambicioso proyecto a gran escala entre la industria y el gobierno busca incrementar la eficiencia de las centrales térmicas incrementando sus condiciones de vapor hasta 1400º F (760º C) a 5,000 psi (35 MPa). El proyecto ya ha identificado materiales y procesos que pueden utilizarse con éxito en operaciones a estas altas condiciones del vapor.

Un método para mantener al carbón como una opción de combustible de generación viable es incrementar la presión para reducir las emisiones de dióxido de carbono y ello puede ser desarrollado en plantas térmicas de carbón ultra supercríticas de alta eficiencia.

La mayoría de las plantas de carbón construidas en los años 50 y 60 operan con vapor a presión de aproximadamente 2,400 psi (16.5 MPa) y temperaturas de hasta 1,000F (538C). Definidas como subcríticas, estas plantas alcanzan eficiencias de alrededor del 35 % en el valor de calentamiento más alto (HHV).

Las plantas supercríticas comenzaron a usarse extensamente en los años 60, operan a 3600 psig y a temperaturas de hasta 1050F, y alcanzan eficiencia de hasta un 38 %.

Materiales en condiciones supercríticas

DOE/OCDO Advanced Materials for Ultrasupercritical Coal-Fired Boilers Project es un proyecto de I+D dotado aproximadamente con 50 millones de dólares que pretende encontrar materiales trabajando en condiciones supercríticas.

El U.S Department of Energy (DOE), a través del National Energy Technology Laboratory (NETL), es el socio fundador del proyecto, el denominado A-USC boiler

El proyecto americano trata de alcanzar mayores temperaturas de vapor de lo conseguido en un programa europeo anterior. Para ello ha reunido a los mejores fabricantes del mundo en turbinas y calderas. Otra diferencia del proyecto americano es que el carbón en USA típicamente contiene más azufre y humedad que el usado en Europa. El programa americano busca aleaciones más resistentes a la corrosión que las usadas con revestimientos o modificaciones de superficie.

Los componentes de preocupación son los cabezales y tuberías de la caldera, tubos del recalentador/sobrecalentador y los paneles de la pared de agua. Los requerimientos generales iniciales en una planta A-USC son que deben tener una resistencia a la fluencia con rotura en 100000 horas de aproximadamente 14500 psi o más alta. Los aceros austeníticos poseen el requisito de resistir a temperaturas intermedias, pero sus propiedades físicas (baja conductividad térmica y alta expansión térmica) limitan su uso en aplicaciones de sección espeso. Las superaleaciones basadas en níquel deben usarse para componentes en la sección más caliente y donde se encuentren las tensiones más altas. Las super-aleaciones basadas en níquel son, sin embargo, bastante caras en relación al acero, y cualquier planta que incorpore estas aleaciones debe limitar su uso a los componentes más críticos.

Además, el alcance del trabajo implica el desarrollo de aspectos de diseño y evaluación conceptual de los candidatos en siete áreas: propiedades mecánicas, oxidación del lado del vapor, corrosión del lado del fuego, soldadura, fabricabilidad, revestimientos y cambios en códigos de diseño actuales.

Diseño conceptual preliminar y estudios económicos

Trabajando con cuatro fabricantes de caldera principales, el equipo de proyecto desarrolló dos diseños conceptuales de calderas de 750 MW y estableció los diagramas de equilibrio térmico. Se estimaron requerimientos dimensionales para tuberías, cabezales y tubos de vapor. Basándose en los cálculos de temperatura del metal, posibles materiales se seleccionaron para varias secciones de la caldera.

Un análisis económico de ingeniería indicó que una planta operando con condiciones e vapor a 1400º F (760º C) puede alcanzar una eficiencia térmica del 45 % con recalentamiento simple y del 47 % para doble recalentamiento. Comparada con la operación de las plantas subcríticas a temperaturas de 37 º%, la planta A-USC puede ahorrar casi US $ 16.5 millones anualmente en costes de equilibrio de planta, y US $ 330 millones en una vida de la planta de 20 años. La mayor eficiencia también reduciría las emisiones de CO2 en más de un 30 %, comparado con una planta eficiente, y el decrecimiento resultante en las emisiones de CO2 por MWh de producción eléctrica puede alcanzarse a un coste de aproximadamente US $ 20 por tonelada métrica de CO2 evitada, que es mucho menos que el coste evitado empleando técnicas de captura y almacenaje de CO2.

Propiedades mecánicas

Siguiendo al diseño conceptual, se seleccionaron inicialmente seis aleaciones, basándose en la resistencia a la fluencia:

• Un acero ferrítico (SAVE12) para tubos y tuberías de la caldera.

• Dos aceros austeníticos (HR6W y Super 304H) específicamente para tubos de recalentador/sobrecalentador.

• Tres aleaciones basadas en níquel (Haynes 230, CCA 617 e Inconel 740) para tubos y tuberías de pared pesada.

Bibliografía: Evaluating Materials Technology for Advanced Ultrasupercritical Coal-Fired Plants.

Palabras clave: Higher heating value (HHV)