09 enero 2012

Consideraciones de diseño para la selección de tubos de un condensador en ambientes con alta presencia de cloro




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
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