Clasificación de los generadores de vapor PDF

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Parte de calderas...

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2. CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR -Clasificación principal según la disposición de los fluidos: • •

Calderas pirotubulares: Calderas de tubos de humos. Calderas acuotubulares: Calderas de tubos de agua.

1. CALDERAS PIROTUBULARES

CALDERAS PIROTUBULARES DE DOS PASOS

CALDERA ESCOCESA

CALDERA ECONÓMICA DE DOS PASOS CON CAJA DE HUMOS EXTERNA

CALDERA ECONÓMICA DE TRES PASOS CON CAJA DE HUMOS HÚMEDA

CALDERA COMPACTA -Es la evolución de la caldera económica, 3p, wet-back. -Se entrega como un paquete: con quemador, control de nivel, bomba de alimentación y dispositivos requeridos para ensamblaje y montaje. -Conexión in situ. -Es desarrollo de la tecnología ha tenido un efecto en el tamaño de las calderas para una determinada potencia. -Calor volumétrico entregado (kW/m3): relación entre la entrada total de calor por el volumen de agua dentro de la caldera. -Velocidad de liberación de calor (kg/m2s): relación entre la cantidad de vapor producido por segundo por el área del plano de agua. GENERADORES DE VAPOR DE LLAMA REVERSIBLE / THIMBLE BOILER

1.1 VENTAJAS DE LAS CALDERAS PIOTUBULARES -Se entregan ensambladas → Se minimizan pues los costes de instalación. -La disposición compacta comporta que pueda relocalizarse la caldera en otro sitio de forma sencilla. -Contienen una cantidad sustancial de agua a temperatura de saturación → respuesta rápida a demandas de carga inesperadas. -Construcción rápida → Mantenimiento simple. -Un hogar y un quemador → Sistemas de control relativamente sencillos. -Presión de trabajo relativamente baja → uso de equipos auxiliares a precios competitivos.

1.2 DESVENTAJAS DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES -El hecho de ser compactas supone que la máxima generación de vapor es de 2700 kg/h. Si se requiere una generación de vapor superior, entonces deben colocarse varias calderas juntas. -Los grandes diámetros de los cilindros utilizados en la construcción de calderas pirotubulares limitan su presión de operación a unos 27bar. Si se requieren presiones superiores, deberá instalarse una caldera acuotubular.

1.3 CONTROL DE CALDERAS PIROTUBULARES Regulación de combustión: -Objetivo: obtener una relación aire/combustible óptima. Esta relación depende de la cantidad de combustible, el porcentaje, la temperatura del aire de combustión, T y P del agua de alimentación, distribución del flujo de humos… •

Regulación modulante

Regulación del nivel de agua: -Objetivo: mantener el nivel de agua en la caldera a una altura prefijada independientemente de la cantidad de vapor producida. • • •

Regulación de nivel a un elemento. Regulación de nivel a dos elementos. Regulación de nivel a tres elementos.

1.4 SEGURIDAD EN LAS CALDERAS PIROTUBULARES -Bajo nivel de agua. -Muy bajo nivel de agua. -Alto nivel de agua. -Alta presión de vapor. -Fallo de llama. -Baja temperatura de combustible (fueloil). -Fallo de corriente eléctrica. -Válvulas de seguridad.

1.5 EQUIPOS AUXILIARES DE LAS CALDERAS PIROTUBULARES -Indicadores de nivel. -Equipo de combustión. -Grupo de preparación de combustible. -Motobombas de agua de alimentación. -Manómetros y termómetros en los diferentes fluidos. -Tuberías para inyección de reactivos químicos y para purga.

2. CALDERAS ACUOTUBULARES -Las calderas de tubos de agua se utilizan en aplicaciones en plantas de potencia que requieran: • • •

Gran flujo de vapor de salida (hasta 500kg/s). Vapor a alta presión (hasta 160bar). Vapor sobrecalentado (hasta 550ºC).

2.1 SECCIONES DE LAS CALDERAS ACUOTUBULARES -La energía de la fuente de calor puede ser extraída mediante radiación o mediante convección y conducción. HOGAR O SECCIÓN RADIANTE -Es un área abierta en la cual se acomoda la llama o llamas de los quemadores. Las paredes del hogar están forradas con tubos aleteados llamados paredes de agua de membrana. SECCIÓN CONVECTIVA -Esta parte está diseñada para absorber el calor de los gases calientes mediante convección y conducción → haces tubulares. • • • •

Tubos vaporizadores: radiantes o de convección. Tubos de caída o de recirculación. Domo superior, calderín o colector de vapor. Domo, colector inferior, de lodos o de agua (cabezales).

2.2 DESIGNACIÓN DE LAS CALDERAS ACUOTUBULARES -Las calderas acuotubulares suelen clasificarse según ciertas características: • • • •

Posición longitudinal o transversal del tambor de vapor. Circulación natural o forzada. Número de calderines (2 o 3). Capacidad (25500 kg/h, 7 kg/s, 55000 lb/h).

CALDERA CON CALDERÍN LONGITUDINAL -Capacidad de 2250 kg/h a 36000 kg/h.

CALDERA CON CALDERÍN TRANSVERSAL -Capacidad hasta 240000 kg/h.

CALDERA STIRLING O DE TUBOS DOBLADOS

2.3 CALDERAS ACUOTUBULARES COMPACTAS -Clasificación de las calderas acuotubulares compactas según la forma de la sección del hogar. Calderas tipo A: -Producen hasta 125 t/h. -Tienen tres tambores. -Fáciles de montar y manejar. -Coeficiente de ligadura. -Sobrecalentador de convección o de radiación. -A este tipo de calderas pertenecen las calderas marinas de dos hogares con vapor sobrecalentado. Calderas tipo D: -Producen hasta 75 t/h. -Constan de un tambor inferior y uno superior de vapor. -El sobrecalentador es de convección. -Es el tipo de caldera acuotubular más utilizado para quemar fueloil, gas o una combinación de ambos.

Calderas tipo O: -Producen hasta 75 t/h. -Son simétricas. -Sobrecalentador radiante. -Queman líquido, gas o combinación de ambos.

2.4 CALDERAS ACUOTUBULARES NO COMPACTAS -Requieren montaje en campo. -Producen hasta 450 t/h de vapor sobrecalentado a 540ºC. -Presión de diseño 125 kg/cm2. -Combustibles líquidos, gaseosos o combinación de ambos. -Combustión frontal o tangencial.

2.5 GRANDES CALDERAS ACUOTUBULARES -Diseño: • • •

Suelen formar parte de un ciclo de producción de energía eléctrica. Un solo calderín. Hogar adecuado en volumen para el combustible que se queme.

-El flujo ascendente de vapor se da por densidad diferente agua/vapor. -No se requiere de bombas de circulación. -Tienen presiones de funcionamiento limitadas. DE CIRCULACIÓN NATURAL -Evitan la utilización de bombas de alta presión. -Presión de funcionamiento limitada. -A partir de cierta presión no son viables económicamente. -Implica circuito cerrado y diferencia de altura considerable. CIRCULACIÓN FORZADA -Utilizan bombas que impulsan el fluido. -Se aplica en calderas que trabajan por encima de la presión crítica (relación de densidades). -Circuito abierto: se precalienta el agua, se genera el vapor, se sobrecalienta el vapor generado. -No hay masa de agua circulando sin vaporizarse. -Paro de la bomba → paro de la caldera.

Ventajas de la circulación forzada respecto a la natural: -El generador no está sujeto a la inestabilidad y dificultades que presenta la circulación natural. -Flexibilidad en la construcción. -Construcción compacta. -Flexibilidad en la operación. -Vapor de más alta calidad. -Reducción del periodo de parada. -Reducción de la altura. -Circulación durante el arranque. -Control de temperatura. -Condiciones de operación. Desventajas de la circulación forzada respecto a la natural: -Falta de capacidad de almacenamiento dentro de la caldera. -Bombeo: la demanda de bombeo aumenta la fuerza auxiliar requerida. -Equipo auxiliar: complicaciones como alta presión o alta temperatura. -Inestabilidad: poca capacidad de agua → rápidas fluctuaciones de carga. Peligrosas a bajas cargas. -Control automático: costosos, complicados, sujetos a fallos. CIRCULACIÓN ASISTIDA O CONTROLADA -Una parte del agua es recirculada. -Uso en calderas subcríticas, pero en el rango más elevado de presiones. -Bomba de recirculación entre el tambor y las paredes de agua para asegurar circulación positiva antes de aplicar calor. -La bomba ayuda a vencer la perdida por presión en los tubos del hogar (menor diámetro y grosor que en el caso de la circulación natural a=P). -Permite arranques más rápidos. -Para presiones entre 140-190 bar. -Circuito cerrado. -Construcciones más compactas (tubos inclinados). -Importante mantenimiento de las bombas (duplicadas).

CIRCULACIÓN COMBINADA -Combinación de c. forzada y c. asistida. -Las bombas de circulación no funcionan a cargas superiores al 60%. -Se usa para calderas supercríticas y alto rango de subcríticas.

2.6 VENTAJAS DE LAS CALDERAS ACUOTUBULARES -Tienen poca cantidad de agua en su interior → responden rápidamente a cambios en la demanda (carga) y entradas de calor. -El reducido diámetro de los tubos y el calderín de vapor permiten que puedan tolerarse presiones de vapor mucho más elevadas (160 bar en tierra). -El diseño permite incluir varios quemadores en cualquiera de las paredes. -Mejor título de vapor. -Colocación sencilla de sobrecalentador. -Circulación del agua interior definida.

2.7 DESVENTAJAS DE LAS CALDERAS ACUOTUBULARES -Menor energía almacenada que en las pirotubulares para la misma producción de vapor. -No son tan fáciles de construir en unidades compactas como los generadores de vapor pirotubulares. -La opción de quemadores múltiples pueden generar flexibilidad (con 30 o más quemadores → sistema de control más complejo). -Mayor costo inicial.

3. COMPARATIVA ENTRE CALDERAS ACUOTUBULARES Y PIROTUBULARES

4. SOBRECALENTADORES, RECALENTADORES, ECONOMIZADORES, ATEMPERADORES Y CALENTADORES DE AIRE 4.1 SOBRECALENTADORES -Sobrecalentamiento: Producción de vapor a temperaturas superiores a la de saturación. -Los sobrecalentadores están comunicados con el tambor de vapor del que reciben vapor saturado y a la turbina a la que entregan vapor sobrecalentado. -Se sitúan en la zona radiante para obtener mayor T. Se deben llenar de agua en el arranque. -También pueden ser de convección. -Pueden ser horizontales o verticales. -Sobrecalentador con quemadores propios. -TV: control adecuado del grado de sobrecalentamiento.

4.2 RECALENTADORES -En los recalentadores, mediante intercambio térmico se eleva la temperatura de un vapor expansionado parcialmente. • •

Calefacción indirecta: colocados en los conductos de humos (antiguas). Calefacción directa: instalados en la propia caldera.

-Según el sistema de circulación se subdividen en: • • •

Equicorriente: los gases y el vapor circulan en el mismo sentido. Contracorriente: los gases y el vapor circulan en sentido contrario. Mixtos: formando serpentines en serie, paralelo o ambos.

Sistemas de control de temperatura a la salida de recalentadores y sobrecalentadores -Llevar vapor entre recalentadores a un atemperador de aire. -Colocar un bypass en los gases de la chimenea. -Uso de atemperadores (de inyección o de superficie).

4.3 ATEMPERADORES -Objetivo: reducir la temperatura de salida del vapor primario (para asegurar que absorberá el calor suficiente en el siguiente paso). • •

Atemperador de inyección: introducen agua de alimentación o vapor saturado en el calderín. Atemperador de superficie: colocación dentro del tambor interior (antes de pasar el vapor al segundo sobrecalentador).

4.4 ECONOMIZADOR O PRECALENTADOR -Elemento en el que se recupera el calor sensible de los gases de salida de una caldera, aumentando la temperatura del fluido de alimentación de la misma. -Situado al lado de alta presión de la bomba de alimentación. La temperatura de los gases de la combustión no debe ser menor a 240ºC si se quema carbón y 160ºC para combustibles líquidos → temperatura de rocío. -Protege la caldera al disminuir los choques térmicos entre el agua de alimentación y la contenida en la caldera. -También se puede realizar el precalentamiento del agua mediante inyectores de vapor.

4.5 CALENTADORES DE AIRE -Sirven para precalentar el aire de la combustión y conseguir temperaturas más elevadas en el hogar. -Se sitúa después del economizador. -Gran superficie de intercambio. -Más voluminoso que el economizador, pero más ligero. -Utilizados cuando se precalienta el aguade alimentación con vapor.

4.6 INFLUENCIA DE LA CONVECCIÓN Y DE LA RADIACIÓN

5. FORMAS DE VARIAR LA TEMPERATURA DEL VAPOR -Variación del caudal de recirculación de humos. -Varias disposiciones de quemadores. -Atemperación. -Variación del exceso de aire. -Variación de la temperatura del agua de alimentación.

6. SEPARACIÓN DEL VAPOR -La separación se realiza en el tambor superior en dos pasos: 1. Se retira el agua de la mezcla vapor-agua. 2. Eliminación de los contaminantes del vapor (lavado del vapor).

-Funciones del calderín: • • • •

Dosificar productos químicos para control de corrosión y tratamiento del agua. Purificar el vapor eliminando contaminantes y humedad residual. Eliminar parte del agua (purga) para controlar la composición química (contenido de sólidos). Mantener un almacenamiento de agua para responder a los cambios bruscos en la potencia de caldera.

-La separación del vapor del líquido para evitar el arrastre de gotas: • •

Por gravedad: para bajas producciones de vapor (velocidad de separación del vapor 1m/s). Mecánica: para altas velocidades de producción de vapor → gran pureza (...