En este capítulo se presenta el análisis térmico del recalentador RH2 RH3, incluyendo análisis de la temperatura del vapor en tubo 1 de
CAPITULO 4. ANÁLISIS TÉRMICO DEL RECALENTADOR DEL GENERADOR DE VAPOR
4.4. ANALISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS.
El material de los tubos de los paneles del recalentador secundario en zona de fallas es acero SA-213-T22 el cual tiene una temperatura de trabajo limitada a 579 ºC (datos de fabricante). Pero los tubos de recalentador secundario en la zona de
falla del tubo 1 del panel 20 están operando con sobrecalentamiento de 35.6 oC de
temperatura en el radio medio y de 43.7 oC en el radio externo (carga térmica del
generador de vapor 100%).
La temperatura del metal en el radio medio del tubo núm. 1 en el punto 5 del
elemento 20 es 614.6 oC (sobrecalentamiento de 35.6 oC). Esta alta temperatura
favorece procesos de fatiga y de pérdida de “vida útil” del tubo. La temperatura del metal en la superficie externa del tubo núm. 1 en el punto 5 del elemento 20 es
622.7 oC (sobrecalentamiento de 43.7 oC). Esta temperatura favorece a procesos de
corrosión externa de los tubos y acelera pérdida de “vida útil” de los tubos. Es
conocido [14], que un sobrecalentamiento de 10 oC, para temperaturas del metal
mayores a 580 oC, causa una disminución de la “vida útil” como mínimo a dos veces
de los tubos de acero perlitico que trabajan bajo presión interna (Fig.4.5). Por lo
tanto si la temperatura del metal es 614.6 oC (sobrecaliento 35.6 oC) la vida útil de
los tubos disminuye del 100,000 horas (tiempo completo) hasta 9,000 horas (fig. 4.5).
Fig. 4.5. “Vida útil” de los tubos perliticos de recalentadores que operan con
sobrecaliento. Temperatura del metal del tubo vs tiempo de operación.
El resultado del presente análisis de temperaturas de metal en zona de fallas puede dar una explicación a los resultados de estudios de metalografía de LAPEM [12] que concluyen que el factor común de causa de fallas de los tubos del recalentador ha sido el sobrecalentamiento prolongado del metal de los tubos.
Para disminuir la cantidad de fallas del tubo núm. 1 de panel 20 (y paneles cercanos) propongo llevar un control del estado de los tubos a lo largo del tiempo de operación del generador de vapor. Es necesario tener monitoreo del estado del metal de los tubos núm. 1 de panel 20 y paneles cercanos como son: estudio visual de estado de forma de los codos, estudio visual de estado de la superficie externa de los codos y mediciones de espesores de paredes de los tubos con método ultrasonido. En caso de que el tubo no pueda continuar su trabajo hasta el próximo mantenimiento programado es obligatorio cambiar este tubo por uno nuevo.
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CONCLUSIONES
Se realizó el análisis térmico de los tubos del recalentador del generador de vapor de la unidad núm. 2 de 350 MW quemando carbón mineral perteneciente a la C. T. “Presidente Plutarco Elías Calles”. El análisis se realizo a carga térmica del 100 %, por ser esta la condición más crítica en que están sometidos los elementos del recalentador.
Se desarrollo una metodología para el cálculo térmico del hogar. Se desarrollo metodologías para el cálculo de la temperatura de los gases en salida y entrada del sobrecalentador SH2, SH3 y del recalentador RH2-RH3. Se desarrollo metodología del cálculo de temperaturas del metal de los tubos del recalentador en la zona de fallas del panel 20.
Se obtuvo la temperatura de los gases en salida del hogar para determinar el valor de densidad de flujo de calor máximo en la zona de fallas del recalentador RH2- RH3. La temperatura de los gases en salida del hogar es 1184 ºC, mayor en 180 ºC al valor de diseño. Se obtuvo la temperatura de los gases en entrada y salida del sobrecalentador SH3, calculando esta temperatura como temperatura en salida del hogar “grande” que incluye volumen ocupado por paneles del sobrecalentador SH2 y balance de calor en sobrecalentador SH3. Las temperaturas en entrada y salida del sobrecalentador SH3 son 963 ºC y 818 ºC respectivamente. Se obtuvo la temperatura de los gases en entrada y salida del recalentador RH2-RH3, calculando esta temperatura como temperatura en salida del sobrecalentador SH3 y balance de calor en recalentador RH2-RH3.
Se analizó la temperatura del vapor en el tubo 1 de panel 20. Esta temperatura depende de mala-distribución hidráulica en el recalentador, de la mala distribución térmica y calorífica en ducto de gases del generador de vapor. El valor de mala- distribución calorífica en el ducto de gases en la zona del recalentador se determinó como 1.92. Obteniéndose finalmente una temperatura del vapor en el punto 5 (zona de fallas) es 474 ºC.
Se determino la temperatura del metal del tubo 1 del panel 20 en la zona de fallas. Esta temperatura está formada por un alto valor de densidad de flujo de calor y por una alta temperatura del vapor en el punto 5 del tubo 1 de panel 20. La temperatura del vapor en el tubo 1 del panel 20 es 474 ºC. La densidad del flujo de calor en la
zona de fallas es 119.6 kW / m2·K. La temperatura del metal en el radio medio del
tubo 1 del panel 20 en punto 5 que se usa para determinar la “vida útil” del tubo es 614.6 ºC. La temperatura del metal en la superficie externa del tubo 1 del panel 20 en el punto 5 que se usa para determinar la corrosión externa es 622.7 ºC.
El valor obtenido de temperatura del metal en el radio promedio del tubo 1 del panel 20 en punto 5 de 614.6 ºC, valor que representa alto riesgo de falla en el material del tubo. Conociendo que el material de los tubos de los paneles del recalentador secundario es acero SA-213-T22 el cual tiene una temperatura de trabajo limitada a 579 ºC (datos de fabricante). Entonces los tubos del recalentador secundario en la zona del punto 5 del tubo 1 del panel 20 están operando con un sobrecalentamiento
de 35.6 oC (a una carga térmica del generador de vapor 100%).
Es conocido [14], que un sobrecalentamiento de 10 oC en este intervalo de
temperaturas del metal causa disminución de la “vida útil” del metal del tubo como mínimo a dos veces. Por lo que de continuar con este régimen de carga estos tubos no podrán trabajar 100,000 horas y es necesario llevar un control del estado de los tubos.
Si el generador de vapor está operando con cargas parciales las temperaturas de los gases, la densidad de flujo de calor, la temperatura del vapor en punto 5 del tubo 1 de panel 20 y el valor del sobrecalentamiento del metal pueden estar menores representando menor riesgo de falla en el material del tubo.
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RECOMENDACIONES
Para determinar tiempo de “vida útil” de los codos del tubo1 del panel 20 y tubos de paneles cercanos es posible realizar un proyecto de investigación en conjunto con especialistas de Planta y personal científico del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada de la SEPI-ESIME del Instituto Politécnico Nacional.
REFERENCIAS
[1] Comisión Federal de Electricidad “Manual de Organización de la C.T. Presidente Plutarco Elías Calles
[2] Comisión Federal de Electricidad “Programa de Obras e inversiones del sector energético”2005-2014. Disponible en:
http://www.cfe.gob.mx/es/laempresa/planeacion/poise+2005-2014/poise+2005- 2014.htm
[3] Prontuario de datos técnicos, , CFE C.T. Presidente Plutarco Elías Calles
[4] Manual del generador de vapor y auxiliares tomo MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD de 350 MW. Comisión Federal de Electricidad, C. T. Pdte. Plutarco Elías Calles. [5] Informe Anual de Resultados, CFE (Comisión Federal de Electricidad). 2002. Informe
de Operación. 2007. CFE, México.
[6] Thermal design for power boilers. Standard Method. Sankt-Petersburg, CKTI- VTI, 1998. En Ruso.
[7] SENER (Secretaría de Energía). 2007. Prospectiva del sector eléctrico. 2001-2010. Primera edición. SENER, México.
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[9] Polupan G., Carvajal Mariscal I., Jarquin López G. "Particularidades en el cálculo de la transferencia de calor en el hogar de las calderas al quemar combustibles sólido, líquido y gaseoso". Memorias del 5o Congreso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas del 27 al 30 de Noviembre del 2000, México
[10] Polupan G., Carvajal Mariscal I., Toledo Velásquez M., Jarquin López G. Análisis de los parámetros termofísicos que influyen en el nivel de temperatura del metal de los tubos de los sobrecalentadotes de vapor. 9th. Latin American Congress in Heat and Mass Transfer. San Juan de Puerto Rico, 2002.
[11] Yunus A. Cengel, Michael A. Boles. Transferencia de calor. Segunda Edición. Editorial McGraw-hill. U.S.A. 2004.
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McGRAW-HILL, Marzo 1997.
[14] LAPEM, Informe final de la inspección no destructiva K31124-020/98 realizada en el recalentador secundario de la unidad núm. 2 de la C. T. Pdte. Plutarco Elías Calles, durante su inspección por falla el 22 de feb de 1998.
[15] Reporte de falla de recalentador secundario unidad 4 MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD, 14 oct 1995.
[16] Polupan G., Sánchez-Silva F., Carvajal- Mariscal I., Tolentino Eslava G., Jarquin López G., Sánchez-Flores A. “Estimación analítica del régimen térmico del metal de los tubos de los generadores de vapor”, Memorias de XXII taller Internacional de Capacitación en Calderas y Recipientes a presión del 8 a 10 de agosto del 2001, Veracruz, México. [17] G. Polupan, Carvajal Mariscal I, Toledo Velásquez M., Tolentino Eslava G., García
Franco J. A. “Calculo hidráulico y térmico de los sobrecalentadores de los generadores de vapor”. Memorias del Décimo Congreso Chileno de ingeniería Mecánica COCIM 2002, ISBN 956-7069-81-6, Santiago, chile, Octubre 2002.
[18] G. Polupan, H. Martínez Laloth, J. Abugaber Francis. Control de temperatura de vapor sobrecalentado de un generador de vapor de vapor quemando combustóleo y bagazo. Memorias del 8° Congreso Iberoamericano de Ingenie ría Mecánica, CIBI8, Octubre 23- 25 del 2007, Curso, Perú.
[19] Pysmennyy Ye., Polupan G., Carbajal Mariscal I., Sánchez-Silva F. Manual para el cálculo de intercambiadores de calor y bancos de tubos aleteados. REVERTE Ediciones , 2007, 197 p.
[20] Polupan G., Jarquin López G., Carvajal Mariscal i., Sánchez Silva F., Sánchez Flores A. “Calculo del intercambio de calor en el hogar de un generador de vapor de 350 MW de potencia que usa combustóleo”. Memorias del 6° Cong reso Nacional de Ingeniería Electromecánica y de Sistemas del 27 al 30 de Noviembre del 2001, México.
[21] Jiménez García J. A., Polupan G., Jarquin López G., Carvajal Mariscal I. Análisis térmico del hogar del generador de vapor de 350 MW quemando combustóleo. Memorias del 2do Congreso de Ingenierías Mecánica, Eléctrica, Electrónica y Mecatrónica (CIMEEM), UAM Azcapotzalco, Junio 2007, México.