La selección de tubos optimizada de tubos en un condensador
puede ayudarnos en la economía de una planta industrial, tanto a la hora de
seleccionar un nuevo condensador como en el reacondicionamiento del existente. De
manera particular nos referimos a aquellas condiciones operacionales extremas
de funcionamiento que provocan un rápido deterioro del condensador. En este
artículo hablamos de las especificaciones de diseño que deberíamos considerar
en el proceso de selección de tubos para un proyecto de retrofit de un
condensador en un ambiente extremo por el riesgo de corrosión.
Algunos materiales usados para fabricar los tubos de un
condensador son extremadamente caros pero requerirán poco mantenimiento
rutinario. Otras selecciones son mucho menos caras, pero la experiencia muestra
que requerirán mucho mantenimiento y pueden incluso tener un impacto negativo
en la planta. En el peor de los casos, el transporte de cobre desde el
condensador a otros componentes del ciclo de vapor, tales como los tubos de la
caldera y álabes de la turbina de vapor pueden reducir permanentemente el
rendimiento de la planta. Quitar el cobre de estos componentes es una actividad
que requiere tiempo y es costosa.
Determinando la
mejor opción
La elección de los materiales en un proyecto de retrofit se
basará en un análisis de costes-beneficio a lo largo de todo el ciclo de vida.
En este artículo realizamos un análisis calculando los costes anuales o el
ahorro que conseguimos a largo plazo. En este caso asumimos un análisis económico
en una vida útil de 20 años, una asunción razonable ya que las plantas de
carbón se construyen para una vida útil de 30 años.
El procedimiento de cálculo requiere realizar el análisis de
los datos económicos de toda la planta.
Estudio de un
condensador
El estudio que analizamos corresponde a una central térmica
de carbón de 300 MW construida hace 30 años que usa un condensador con 16.400
tubos. El tramo más grande sin soportes es de 6 pulgadas, una longitud común en
los condensadores diseñados en esta época. La chapa del tubo está fabricada con
metal Muntz. La propiedad ha invertido de forma intensa en la planta y las
expectativas son que la planta dure al menos otros 20 años más.
La carga de vapor del condensador es de 1.480.000 lb/h con
una entalpía de 950 Btu/lb. Las bombas de agua de circulación proporcionan un
caudal de diseño de 114.000 gpm a través de los tubos. Se realiza un buen
control de la química del agua que produce un factor de limpieza HEI de 85 %.
El condensador fue diseñado para una temperatura de agua de entrada de 85F, que
se asume constante.
El agua de refrigeración se trata con sulfato férrico para
asistir a la repasivación de los tubos níquel-cobre 90-10. Debido a la alta
agresividad del agua, se esperaba que la vida de los nuevos tubos de niquel
cobre 90-10 se esperaba fuese de unos 10 o 15 años.
Los materiales que se consideraron candidatos para los tubos fueron acero inoxidable
austenítico de alto rendimiento AL6XN, titanio grado 2 (UNS S44660). Se trata
de una aleación probada en aguas con alto contenido en cloro, o tienen bajo
potencial MIC. TP 304 y TP 316 no son candidatos para este condensado, ya que
los niveles de cloro suben por encima de 700 ppm y niveles altos de hierro y
manganeso proporcionan alto potencial de corrosión relacionada con MIC.
El estándar HEI es también un recurso excelente para
comparar el rendimiento térmico y mecánico de diversos materiales de tubos.
Adicionalmente debe determinarse la contrapresión y el potencial de daños por
vibraciones en el tubo del condensador. También deben evaluarse cambios en
elevación.
Espesor de la
pared
Con las mejoras
actuales en las técnicas de laminación y preparación de uniones tubo-a-placa
tubular, surgen numerosas opciones para la sustitución del espesor de las paredes
de los tubos. Tanto las aleaciones de acero inoxidable como las de cobre tienen
una mayor resistencia que las aleaciones de cobre y no requieren tolerancia a
la corrosión. Por lo tanto, es posible el uso de paredes más delgadas. También
deben considerarse otros dos factores, la resistencia a tirar de la unión tubo-a-placa
tubular y el potencial de vibraciones.
Tradicionalmente se han preferido espesores de pared 22 BWG
o 0,028” para el reacondicionamiento de tubos de acero inoxidable o titanio.
Unas cargas pullout de 1200 lb a 1600 lb son consideradas mínimas.
Factor de
limpieza
HEI usa un factor de
limpieza cuyo rango va hasta un 100 %, donde 100 % es un tubo perfectamente
limpio. El valor seleccionado en el análisis tiene un impacto muy significativo
en los resultados. Los óxidos que se forman en los tubos forman una barrera
térmica que disminuye el factor de limpieza.
Adicionalmente a la limpieza del tubo, varios factores
operacionales de condensador externo afectan el valor asumido.
Ajuste del
flujo de agua de refrigeración
La velocidad del agua de refrigeración se calcula a partir
del caudal másico. Aunque la velocidad del agua de refrigeración normalmente se
considera tiene un impacto negativo en el rendimiento del condensador, el
caudal másico del agua de refrigeración es el factor clave para extraer el
calor. Las plantas más antiguas se diseñaron con una velocidad de agua de 6 –
6,5 fps (pies por segundo) para prevenir la corrosión de los tubos de cobre.
Con las aleaciones modernas son posibles velocidades mucho más altas.
Aumentando la velocidad de bombeo puede aumentarse un 20 % el rendimiento
respecto a los diseños originales.
Temperatura del
agua de refrigeración
En el caso que hemos estudiado la temperatura de entrada del
agua de alimentación era de 85F para todos los cálculos. Cuando la planta tiene
un condensador marginal que limita la producción de energía durante las
condiciones de verano, estos cálculos se harían usando la temperatura máxima de
entrada del agua, ya que la elección del material puede tener un impacto
significativo en el payback del proyecto.
Contrapresión
del condensador
Una vez que se ha calculado el agua de refrigeración, el
flujo de vapor, y los parámetros alternativos del tubo, se calcula la
temperatura de saturación y se obtiene la contrapresión usando tablas de vapor.
Una contrapresión más baja incrementa la eficiencia de la turbina de vapor. Las
fórmulas HEI predicen una mejora de contrapresión de 0,12 “ Hg, 0,04 “ Hg y
0,10” Hg para titanio 22 BWG, N08367, y S44660 respectivamente.
En este análisis se encontró que la mayor ganancia de calor
en la bomba se conseguía usando 24 BWG S44660.
Cálculos del
ahorro en combustible
El cambio en la contrapresión de la turbina de vapor tendría
un impacto en la tasa de calor, y también en la cantidad de calor que se
consume en la planta. En el estudio analizadose asume que el carbón comprado en
un periodo de 20 años cuesta un promedio de $2,5 por millón de BTU.
Para esta planta se calculó que por cada cambio de
contrapresión de 0,1 “ de Hg, la tasa de
calor cambiará 15 Btu por cada kWh generado. Se estima un ahorro de combustible
por año de $100.000 si se elige titanio 22 BWG. Cuando se cambia a N08367 super
austenítico, conseguimos un ahorro al año de $33.000.
Bibliografía:
Optimizing
Condenser Tube Selection. Power vol. 155. November 2011
1 comentarios:
En la sección "Contrapresión del condensador", donde dice
"mayor ganancia de calor en la bomba", debería decir "mayor eficiencia de la turbina de vapor".
Esta mayor eficiencia se debe a que al haber mayor transferencia de calor debido a los menores espesores con las aleaciones S44660, hay más vacio en el condensador y por ende mayor eficiencia en la TV.
Publicar un comentario