Mantenimiento a tanques sujetos a presión

7.1 Producción de vapor:

La generación industrial de vapor es el proceso mediante el cual se produce vapor a presiones por encima de la atmosférica, a partir de la energía de un combustible, o de energía eléctrica. En planta de fuerza utilizan el combustóleo o bien gas natural. El combustóleo, es un combustible elaborado a partir de productos residuales que se obtienen de los procesos de refinación del petróleo. El gas natural se ha constituido en el combustible más, ofrece las mejores oportunidades en términos de economía, aumento de rendimiento y reducción del impacto ambiental. El vapor producido será posteriormente utilizado en diferentes funciones de la fábrica, tales como aportación de calor en procesos, ciclos térmicos o movimiento de máquinas.

7.2 Ciclo térmico:

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir , que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula. No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.

7.3 Ciclo Rankine.

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor.

Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos).

Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica).

El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago).

Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.

Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termo solares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro- parabólicos o un sistema de helióstatos y torre.

Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas.

El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.

7.4 Descripción del sistema de generación de vapor:

Conformado por equipo, tubería y accesorios que permiten el suministro del agua bajo condiciones adecuadas al sistema de vapor.

7.4.1 Quemadores.

Dispositivos de la caldera, donde se lleva a cabo la reacción química del aire con el combustible fósil, para transformarse en calor, mismo que posteriormente servirá para cambiar las propiedades del agua líquida a vapor.

7.4.2 Hogar de la caldera.

En el caso de las calderas tipo “tubos de agua”, el hogar está formado por paredes hechas con "bancos de tubos"; en calderas tipo “tubos de humo”, el hogar está formado por una envolvente metálica interna. En ambos casos, es en el hogar donde se inicia la transformación del agua en estado de saturación a vapor y donde se termina de realizar el proceso de combustión iniciado en el quemador, liberando el calor del combustible.

7.4.3 Sistema de distribución del vapor.

Serie de tubos denominados "cabezales y ramales de vapor", que permite llevar el vapor a los puntos donde el proceso lo requiere, con la calidad y en la cantidad demandada.

7.4.4 Sistema de retorno de condensados.

Serie de tubos denominados "cabezales y ramales de condensado", que regresan parte del agua que se ha condensado en el proceso. Esta agua, de gran valor por su pureza, se retorna al sistema de generación de vapor con un previo tratamiento. Es muy recomendable la instalación de este sistema, ya que permite recuperar la mayor cantidad posible de condensados.

7.4.5 Sistema de alimentación y tratamiento del agua.

Si bien el agua en forma de vapor es un vehículo para distribuir calor a diversos procesos, nunca se encuentra pura y los elementos que contiene pueden afectar las tuberías y limitar la transferencia de calor en los equipos de proceso. Para mantener la eficiencia de la caldera e incrementar su vida útil es necesario un acondicionamiento que consiste en reducir los depósitos de sólidos e incrustaciones en las superficies de calefacción, así como el evitar su corrosión.

Cada caldera y su agua de alimentación representan una condición única y específica, por lo que la información y recomendaciones que a continuación se listan, son de carácter genérico.

a) Operar adecuadamente el sistema de alimentación de agua.

El agua alimentada en el sistema de vapor tiene que ser transportada, desde su punto de suministro o almacenamiento, hasta el interior de la caldera, pasando a través de los economizadores, mediante un sistema de bombeo.

Para una operación eficiente se recomienda:

• Mantener en operación el mínimo número de bombas, según se requiera

• Mantener la operación de las bombas produciendo la presión de descarga de diseño

• Aprovechar el flujo por gravedad, siempre que sea posible

• Si los requerimientos de presión varían considerablemente por los cambios de estación en el año o en la producción, evaluar la posibilidad de cambiar los impulsores de las bombas

• Usar dispositivos para variar la velocidad en los motores de las bombas de agua de alimentación

Por lo general, se utiliza un mínimo de dos bombas de alimentación, dependiendo del grado de confiabilidad para mantener la caldera trabajando en caso de falla del suministro de agua. El hecho de disponer de dos bombas permite realizar trabajos de reparación y mantenimiento en una de ellas, mientras que la otra continúa suministrando el agua necesaria para la operación de la caldera.

Cuando se utilizan turbinas de vapor para suministrar el agua de alimentación, se recomienda regular al mínimo requerido la presión de su descarga.

b) Dar tratamiento al agua de alimentación y agua retornada (condensado).

Es recomendable dar diversos tratamientos al agua antes de introducirla al sistema de generación y distribución de vapor. Se citan los más importantes.

• En el agua cruda, que forma parte de la alimentación a la caldera, deben eliminarse los sólidos en suspensión, reducir “la dureza” (provocada por las sales de calcio, magnesio y silicio) y eliminar otras impurezas solubles.

• Aplicar productos químicos, para eliminar el oxígeno disuelto en el agua y controlar su grado de acidez.

Gran parte del oxigeno contenido en el agua alimentada a la caldera, es eliminado en el desareador. Sin embargo, pequeñas cantidades -trazas de éste- aún se encontrarán en el agua, causando la corrosión en el metal de la caldera. Para prevenir esto, un secuestrarte de oxígeno debe ser adicionado al agua, de preferencia en el tanque de almacenamiento del desareador. Así, el secuestrarte dispondrá de un tiempo mayor para reaccionar con el oxígeno residual.

Otra forma de reducir la corrosión en la caldera es controlando el “pH” (grado de acidez) en el agua, mediante la adición de químicos.

• Purgar adecuadamente la caldera, para limitar la concentración de impurezas del agua en la caldera.

Las purgas pueden ser localizadas en distintos puntos; éstas pueden ser desde abajo del nivel de agua en el tanque de vapor (o domo del vapor), desde el domo de lodos o cabezal inferior, o también desde el fondo de la caldera. Las purgas pueden ser continuas o intermitentes. A continuación, se establecen algunos principios para llevar a cabo un programa efectivo de purgas.

En calderas tipo tubos de agua (acuo tubulares), la concentración de impurezas debe controlarse purgado desde el domo de vapor. Es preferible realizar purgas continuas. También para este tipo de calderas, el purgar desde el domo de lodos o del cabezal inferior elimina los sólidos en suspensión del agua en la caldera. El tratar de controlar la concentración de impurezas purgando en este lugar, puede causar fallas severas en la circulación dentro de la caldera, lo cual causa serios daños. La purga en el fondo debe ser de poca duración, sobre una cantidad ya establecida. Esta cantidad es determinada por el diseño de la caldera, las condiciones de operación y la velocidad de acumulación de sólidos suspendidos.

La purga en calderas del tipo tubos de humo (piro tubular), puede hacerse de manera continua o intermitente, como también realizarse abajo del nivel de agua o desde el fondo. El tipo de purga, su frecuencia y duración dependen del diseño de la caldera, las condiciones de operación y el tipo de programa de tratamiento de agua.

Dar tratamiento a los condensados que retornan.

Tome en cuenta algunas recomendaciones:

 Adicione productos químicos para controlar el grado de acidez.

 Elimine el oxígeno de los condensados a través de un desareador, antes de que vuelvan a entrar junto con el agua de reposición, al sistema de agua de alimentación.

 Reduzca el venteo en el desareador a menos del 0,1% del flujo de agua o menos del 0,5% del flujo de vapor (esta recomendación dependerá del tamaño del sistema de vapor y condensado, así como de la capacidad demandada por el proceso).  Retorne todos los condensados posibles al sistema de agua de alimentación.

7.5 Caldera

La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase.

Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para aplicaciones como:

• Esterilización (tindalización): era común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor para "esterilizar" el instrumental médico; también en los comedores, con capacidad industrial, se genera vapor para esterilizar los cubiertos, así como para elaborar alimentos en marmitas (antes se creyó que esta era una técnica de esterilización).

• Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizado para calentar petroleas pesados y mejorar su fluidez.

• Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.

Figura. 7.5-14. Esquema de una caldera de vapor.

7.5.1 Tipos de calderas.

Las calderas se pueden clasificar en:  de tubos de agua o acuotubulares:

• Calderas de acero:

 de hogar en depresión.  de hogar presurizado.

• de tubos de agua y humos.  de tubos de humo o pirotubulares.

7.5.2 Calderas de tubos de agua o acuotubulares.

Debido a los grandes inconvenientes de las calderas pirotubulares se construyen este otro tupo de calderas. En las calderas acuotubulares, el agua circula por dentro de tubos, en vez de alrededor de ellos (pirotubulares), pasando los gases calientes alrededor de los tubos. Estos tubos están situados en el exterior del calderín de vapor. Las ventajas de este tipo de calderas son:

 Puede obtenerse mayor capacidad aumentando el número de tubos, independientemente del diámetro del calderín de vapor.

 El calderín está expuesto al calor radiante de la llama

 La mayor ventaja es la libertad de incrementar las capacidades y presiones.

Figura. 7.5.2-15. Caldera de tubo de Agua.

Calderas acuotubulares compactas:

Este tipo de calderas pueden quemar todo tipo de combustible variando las características del hogar y los equipos de combustión y posee una serie de ventajas:

 Al instalar múltiples unidades en lugar de una sola caldera grande, el calentamiento se basa en la carga por caldera, suministrando una gran elasticidad durante los periodos de demanda baja de vapor.

 Los pequeños generadores de vapor pueden colocarse cerca de la carga de vapor evitando pérdidas y reduciendo el tamaño.

 La capacidad de reserva puede suministrarse con un sistema de calderas múltiples.

Figura. 7.5.2-16 Calderas acuotubulares compactas.

Calderas acuotubulares no compactas:

Estas calderas son montadas en obra y constan de una parte de tubos y tambores con sus conexiones y la otra de mampostería en ladrillo refractario. Estas pueden de ser tubos rectos o de tubos curvados, los cuales son más flexibles que los rectos; y permiten una mayor superficie de calefacción.

7.5.3 Calderas de tubos de humos:

La caldera de humos o pirotubular, es decir, tubos de fuego, es aquella que necesita transferencia térmica para que se pueda extraer del combustible y del material la mayor parte del calor que las condiciones económicas permitan. El flujo de los gases de la combustión se realiza por el interior de los tubos; los gases de combustión que salen del hogar pasan previamente por el interior de un haz de tubos que se encuentra en el cuerpo de la caldera bañados por el agua con el fin de aumentar la superficie de calentamiento de la misma, antes de ser expulsado por la chimenea.

Figura. 7.5.3-17. Caldera de tubos de humos.

Calderas de fundición:

Las calderas de fundición son unidades de calefacción de baja presión construidas por secciones de fundición a presión de acero, bronce o latón. Los tipos normales fabricados son clasificados por el modo en que se ensamblan las secciones de fundición por medio de conectores o niples, conectores exteriores y maguitos roscados.

Hay tres tipos de calderas de fundición:

• calderas circulares de fundición:

Es un conjunto atornillado donde el combustible se quema en el hogar central, con los gases subiendo y fluyendo a través de diversos pasos de las secciones llenas de agua y finalmente salen por la chimenea.

• calderas verticales de bloques:

Son secciones ensambladas frontales con trasera, y en posición vertical, atornilladas o unidas por medio de conectores roscados.

• calderas por secciones horizontales:

Este tipo de calderas se utiliza normalmente con gas y un quemador para cada caldera o sección vertical múltiple.

7.5.4 Selección del tipo de caldera:

Lo primero es tomar en cuenta a que tipos de trabajo será sometida la caldera. Luego debemos tener el conocimiento de las cualidades que debe tener para ser empleadas en las diversas funciones.

Entre los diversos datos debemos conocer:  La Potencia de la Caldera

 El Voltaje que esta Requiere

 El Tipo de Combustible que esta Necesita para Trabajar  La Demanda de Vapor que se Requiere, etc.

Podemos decir que en realidad existen varios factores importantes al momento de elegir una caldera, tales como:

 Capacidad de Consumo de la Empresa.  Capacidad de la Caldera.

 Capacidad de Turbina / Generador.

La selección del tipo de caldera más adecuado y económicamente eficiente para una instalación industrial se hace más fácil cuanto menos cueste el combustible y la mano de obra y menor número de tipos de calderas de confianza y los regímenes normales a elegir. Lo que habrá que tener en cuenta es si la elección de tipo de caldera cilíndrica o de otra construcción dará resultado económico.

El rendimiento térmico influye en el gasto de combustible, pero no es lo más importante para la economización de la caldera, pudiera ser que una caldera de elevado rendimiento térmico, sea poco rentable por sus costos de mantenimiento y funcionamiento.

La cantidad de malos resultados obtenidos con gran número de unidades reducidas no se deben a defectos de construcción como al uso del combustible inadecuado, a falta de tiro o al mal funcionamiento. Esto nos puede pasar con cualquier tipo de caldera, y solo9 se puede solucionar con personal especializado y con la mejora de instrumentos y aparatos de los que se espera unos resultados más económicos.

El costo inicial es factor decisivo, esto resulta una equivocación, puesto que un reducido aumento del coste inicial puede ser recuperado en los primeros diez meses.

Los factores que intervienen en la elección de una caldera son:

• Combustible y tiro.

• Presión, potencia evaporadora.

• Funcionamiento y mantenimiento.

7.6 Tanque de Purga Continua.

Los tanques de recogida de purga BDV60 están diseñados para recoger descargas procedentes de controles purga de fondo automáticos/manuales, válvulas de control de purga continua manuales, válvulas y sistemas de control de TDS automáticas, recipientes, equipos auxiliares y de recuperación de energía. Los tanques de recogida de purga BDV60 están diseñados y construidos según PD 5500 y por tanto cumplen con la Directiva Europea de Equipos a Presión 97/23/EC. También cumplen con las guías de construcción de tanques para aplicaciones de recogida de purga de la Health and Safety Executive PM60.

Como seleccionar el tanque de purga:

Paso 1. Con la ayuda, determine longitud de equivalencia de tramos rectos de la línea de purga.

Paso 2. Use la Tabla 2 para establecer el tamaño correcto del tanque. Si el resultado del Paso 1 es inferior a 7 m, multiplique la presión de caldera por 1,15. Si el tanque se usará en las condiciones mencionadas arriba, pase al Paso 4. Paso 3. Usando la Tabla 4 con los datos del tanque, establecer el volumen estacionario de agua en el tanque seleccionado. Este volumen deberá ser como mínimo el doble que el volumen máximo de purga. El volumen máximo de purga suele ser el volumen descargado cuando se purga desde la alarma del primer nivel bajo al de la segunda de nivel bajo. Si se desconoce este volumen, se puede calcular. Si se ha calculado que el volumen estacionario de agua es insuficiente, se deberá seleccionar un tanque de purga mayor para satisfacer este requisito. Paso 4. Con la ayuda de la Tabla 3, seleccionar el cabezal de venteo adecuado para el tanque.

Los purgadores van en la parte más baja de la caldera y algunas veces también en el cuerpo cilíndrico; se utilizan para sacar una cierta cantidad de agua con el fin de extraer de la caldera los lodos, sedimentos y espumas. Las impurezas de las grandes cantidades de agua vaporizada se van precipitando constantemente. En ocasiones se emplea un purgado

(por el fondo) continuo, por medio de un tubo pequeño, para sacar las impurezas a medida