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Figura
1.
Caldera
de recuperación de calor.
Funcionamiento
de la caldera de
recuperación de calor.
La
caldera de
recuperación de calor o HRSG (heat
recovery steam generator) en un ciclo combinado es el elemento
encargado
de aprovechar la
energía de los gases de
escape de la turbina de gas transformándola en vapor. Con
posterioridad, ese
vapor puede
transformarse en
electricidad por una turbina de gas, ser utilizado en procesos
industriales o
en sistemas de calefacción centralizados.
Las calderas de recuperación de calor pueden
clasificarse en calderas con o sin postcombustión y en
calderas horizontales o
verticales y también por el número de veces que
el agua pasa a través de la
caldera conocidas como OTSG (One Time Steam Generator).
Las partes principales de una caldera de
recuperación de calor son:
- Desgasificador, es el
encargado de eliminar los
gases
disueltos en el agua de alimentación, oxigeno principalmente
y otros gases que
nos podría provocar corrosiones.
- Tanque
de agua de alimentación,
deposito donde se acumula el agua que alimenta a nuestro sistema, esta
agua
debe ser muy pura para evitar impurezas que nos podrían
obstruir los conductos,
erosionarlos o corroerlos por las sustancias que llevasen con ellos.
- Calderín, es el
lugar de donde se alimenta
el
evaporador de agua y el sobrecalentador de vapor. Puede haber
diferentes tipos
de calderines según la turbina de vapor que alimenten ya
sean de baja, media o
alta presión.
- Bombas
de alimentación,
son
las encargadas
de enviar el agua desde el tanque de agua de alimentación a
su calderín
correspondiente.
- Economizadores, son los
intercambiadores
encargados de
precalentar el agua de alimentación con el calor residual de
los gases de
escape, aprovechando su energía con lo que aumentamos el
rendimiento de nuestra
instalación y evitamos saltos bruscos de temperatura en la
entrada de agua.
- Evaporadores,
son intercambiadores que aprovechan el
calor de los gases de escape de temperatura intermedia para evaporar el
agua a
la presión del circuito correspondientes, la
circulación del agua a través de
ellos puede ser forzada o natural, en la forzada se utilizan bombas y
en la
natural el efecto termosifón, aunque también se
usan bombas en los momentos de
arranque o cuando sea necesario, devolviendo el vapor al
calderín.
- Sobrecalentadotes
y Recalentadores,
son los
intercambiadores que se encuentran en la parte más cercana a
la entrada de los
gases procedentes de la combustión en la turbina de gas, el
vapor que sale ya
esta listo para ser enviado a la turbina de vapor, este vapor debe ser
lo más
puro posible y debe ir libre de gotas de agua que
deteriorarían nuestra
turbina, también debemos tener controlada la temperatura y
presión del vapor
para evitar estrés térmico en los diferentes
componentes.
Figura
2.
Esquema del sistema de recuperación de calor.
Donde:
1) Compresor.
2) Turbina de
Gas.
3) By-pass
4) Sobrecalentador
o recalentador.
5) Evaporador.
6) Economizador.
7) Calderín.
8) Turbina de gas
9) Condensador.
10)
By-pass
de vapor.
11)
Depósito
de agua de alimentación/
Desgasificador.
12)
Bomba
de alimentación.
13)
Bomba
de condensado.
Calderas
de
recuperación de calor con
y sin postcombustión.
- La
caldera sin postcombustión es el
tipo más común de
caldera utilizada en
los ciclos combinados. Esencialmente es un intercambiador de calor en
el que se
transfiere el calor de los gases al circuito agua-vapor por
convección.
- En lo
que se refiere a las calderas con
postcombustión, aunque pueden
construirse calderas de recuperación con
quemadores y aporte de aire adicional, las modificaciones constructivas
normalmente se limitan a la instalación de quemadores en el
conducto de gases a
la entrada de la caldera. Ello permite que se pueda utilizar el exceso
de
oxígeno de los gases de escape de la turbina, sin sobrepasar
temperaturas
admisibles para la placa de protección interna del
aislamiento, temperaturas
superiores a 800 ºC
y sin modificar, de forma importante, la distribución de
superficies de
intercambio de la caldera sin postcombustión. Estas calderas
normalmente llevan
atemperadores de agua pulverizada para regular la temperatura del vapor.
Calderas
de
recuperación de calor
horizontales y verticales.
1) Calderas de
recuperación de calor
horizontales.
Figura
3.
Caldera horizontal.
La
caldera horizontal es
aquélla
en la que el gas, a la salida de la turbina, sigue una trayectoria
horizontal a
través de los distintos módulos de
sobrecalentamiento, recalentamiento,
vaporización y calentamiento de agua, hasta su
conducción a la chimenea de
evacuación.
No necesitan estructura de soporte, siendo en
conjunto una caldera más compacta y barata, ya que requiere
poca estructura
metálica de soporte al ir colgados los elementos del techo.
El aislamiento suele ser interno para evitar
el utilizar en la carcasa materiales aleados y juntas de
dilatación.
Conviene
que el material aislante esté recubierto por una chapa para
protegerlo del
impacto del agua o vapor en caso de rotura de tubos.
Debido a la construcción compacta, gran parte
de los tubos en el
interior de los haces
no son accesibles, por lo que en caso de rotura se debe abandonar el
uso de
dicho tubo.
Otro inconveniente de este tipo de caldera es
el drenaje inferior de los colectores y tubos del recalentador y
sobrecalentador, que puede provocar la acumulación de bolsas
de agua que en los
arranques podrían impedir la
circulación. Por su diseño debemos cuidar los siguientes
detalles
constructivos y operativos:
- La
pérdida de carga de los gases a lo largo de la caldera debe
ser inferior a 300 milímetros
de
columna de agua.
- Debe
cuidarse especialmente la calidad de los materiales empleados en los
módulos
más calientes.
- Deben
seguirse procedimientos estrictos de soldadura y de control de calidad:
radiografiado, ultrasonidos e inspección visual,
especialmente en las
soldaduras de los tubos verticales con los colectores de los
módulos más
calientes, tanto por la falta de acceso para reparaciones como por el
hecho de
estar sometidos a mayores tensiones térmicas susceptibles de
provocar roturas.
- Debe
eliminarse las tensiones residuales de las curvas de los tubos a 180 ºC
y las durezas
iniciadoras de las grietas.
Durante
la
operación de estas centrales, en
este tipo de calderas se debe prestar especial atención a lo
siguiente:
- Debe
seguirse un procedimiento estricto de conservación durante
periodos de paradas
prolongadas, para evitar que el agua que se nos quede en los tubos
pueda
corroer los materiales.
- Se debe
establecer procedimientos periódicos de limpieza
química, para eliminar
incrustaciones y acumulaciones de material no deseado.
- Debe
seguirse el procedimiento de operación en arranques
rápidos, para evitar
posibles problemas.
- Se debe
disponer de un plan de inspecciones periódicas en aquellas
soldaduras de tubo a
colector sometidas a mayor grado de fluencia o fatiga
térmica, colectores de
salida del sobrecalentador y recalentador y colector de entrada al
economizador.
- Debe
vigilarse cuidadosamente los parámetros químicos
del agua de alimentación,
especialmente el contenido de oxígeno y la posible
contaminación por roturas de
tubos en el condensador, para evitar corrosiones.
- En las
revisiones mayores se debe inspeccionar interiormente algún
tubo de los
evaporadores en la parte alta, para ver si han formado
depósitos sólidos que
impidan una correcta transmisión del calor.
- Se deben
respetar las rampas de subida y bajada de temperaturas recomendadas por
el
fabricante.
- Debe
mantenerse un flujo continuo de agua en el economizador durante los
arranques
para evitar los choques térmicos en el colector de entrada.
Asimismo, debe
controlarse la presión en el economizador a bajas cargas
para evitar la
formación de vapor.
- Debe
vigilarse que los indicadores de tensión de los soportes de
las tuberías
principales estén dentro del rango de valores admisibles.
2) Calderas de
recuperación de calor
verticales.
Figura
4.
Caldera Vertical
Este
tipo de calderas son
parecidas
en su configuración a las calderas convencionales, constan
de una estructura
sobre la que apoyan los calderines y de la que cuelgan los soportes de
los
haces horizontales de tubos. En estas calderas, los tubos dilatan
mejor, no
están sometidos a tensiones térmicas tan
elevadas, y son más accesibles para
inspección y mantenimiento.
Algunas calderas verticales tienen
circulación forzada, otras circulación asistida
en los arranques, y la
tendencia es a diseñarlas con circulación
natural, lo que implica elevar la
posición de los calderines para conseguir que la diferencia
de densidad entre
la columna de agua de los tubos de bajada del colector o down commers y
de los
tubos de salida del colector del evaporador al calderín o
risers, asegure la
circulación a través de los tubos evaporadores
horizontales.
En este tipo de calderas el aislamiento suele
ser interior, con protección de la capa aislante, o mixto,
con recubrimiento
interno de fibra cerámica en la parte superior donde los
gases son más fríos.
Aunque operacionalmente estas calderas no son
tan especiales, las exigencias de control de calidad durante la
construcción y
la pureza del agua de alimentación son requisitos similares
a los de las
calderas horizontales, así como las limitaciones y
precauciones en subidas y
bajadas de carga.
La forma normal de operación en este tipo de
calderas es en presión deslizante,
donde la
presión del vapor fluctúa de acuerdo
con el flujo de vapor, permaneciendo completamente abiertas las
válvulas de la
turbina. Esta forma de operación maximiza el rendimiento de
la caldera a cargas
parciales, ya que
si decrece la
producción de vapor, al reducirse el caudal y la temperatura
de los gases de
escape de la turbina de gas, también se reduce la
presión, y con ella la
temperatura de saturación, con lo que se consigue una alta
vaporización y la
recuperación de la mayor parte de la energía de
los gases.
3)
Calderas
de
un solo paso o OTSG (One
Time Steam Generator)
Figura
5.
Caldera OTSG
En este tipo de calderas el agua pasa una sola vez por caldera, dando
nos
la temperatura y presión deseadas, suelen ser utilizadas
para procesos
industriales, parecen tener un buen futuro por sus propiedades de
operación y
mantenimiento que son más sencillas que los dos tipos
anteriores.
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