CONTROL DE LOS CALENTADORES
DE AGUA DE ALIMENTACIÓN PARA MEJORAR
EL RÉGIMEN TÉRMICO DE LA CENTRAL*
CONTENIDO
COSTO DE LA DESVIACIÓN DEL RÉGIMEN TÉRMICO ...2
GUÍAS GENERALES PARA EL RÉGIMEN TÉRMICO ...2
OPERACIÓN DEL CALENTADOR DE AGUA DE ALIMENTACIÓN ...3
CONTROLES DE NIVEL CONFIABLES REQUERIDOS ...3
MONITOREO DEL DESEMPEÑO ...5
ERRORES INDUCIDOS POR INSTRUMENTOS Y RÉGIMEN TÉRMICO ...5
ESTUDIOS DE CASOS ...6
* D. Hite, Improve plant heat rate with feedwater heater control, Power, ago. 2013, 8 p., sin refs.
TRADUCCIÓN. SERVICIO REFERENCIAS IIE. BIMESTRE: MAYO/JUNIO DE 2015. GERENCIA DE INTELIGENCIA E INFORMACIÓN TECNOLÓGICA, REFORMA 113, COL. PALMIRA, 62490 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO, EDIF. 37, PISO 1, TEL: (777) 362-3811, EXT. 7132, FAX: (777) 362-3847.
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CONTROL DE LOS CALENTADORES
DE AGUA DE ALIMENTACIÓN PARA MEJORAR
EL RÉGIMEN TÉRMICO DE LA CENTRAL
De manera significativa, aún ocurren pérdidas de desempeño térmico ocultas en los calentadores de agua de alimentación. Estas pérdidas controlables suceden frecuentemente debido a controles de nivel de pobre desempeño. En este documento, se discuten tres temas relacionados con el desempeño del calentador del agua de alimentación. Primero, se cuantifica el gran costo de un cambio de minutos en el desempeño termodinámico de la central. Después, se presentan las dificultades físicas del control de nivel preciso, así como los antecedentes del importante papel que desempeñan los calentadores del agua de alimentación dentro del ciclo de vapor de la central. Por último, se presentan dos estudios de casos cortos que cuantifican los ahorros de costos que corresponden a las plantas que actualizan con éxito sus controles de nivel del calentador del agua de alimentación. COSTO DE LA DESVIACIÓN DEL RÉGIMEN TÉRMICO
El régimen térmico es una medida utilizada en la industria de la energía para calcular qué tan eficientemente una central eléctrica utiliza el contenido de calor del combustible, expresada como las Btu del calor del combustible requerido para producir un kilowatt-hora de electricidad en unidades de Btu/kWh. El régimen térmico solo de la porción de la turbina de vapor de la central eléctrica convencional también puede calcularse dividiendo el contenido de energía del vapor que entra a la turbina entre la electricidad generada. El régimen térmico del ciclo de la turbina representa el desempeño combinado de la turbina, el condensador, los calentadores del agua de alimentación y las bombas de alimentación. El régimen térmico de la unidad se encuentra dividiendo el régimen térmico de la turbina de vapor entre la eficiencia de la caldera.
Si la planta opera sin ninguna pérdida, toda la energía térmica del combustible se convertiría en electricidad y el régimen térmico de la unidad sería 3412 Btu/kWh (el factor de conversión entre Btu y kWh a eficiencia de 100%). Aunque nunca es alcanzable, la meta del ingeniero de desempeño es encontrar maneras de reducir continuamente el régimen térmico de la central, debido a que un régimen térmico inferior (eficiencia mayor) refleja más operación costo-eficiente de la central.
Siempre sobresale el cálculo del costo de combustible anual asociado con desviaciones pequeñas del régimen térmico objetivo de la central debido a que el impacto es mucho más intenso de lo esperado. Por ejemplo, si el régimen térmico objetivo de la central es de 12 000 Btu/kWh, y la real es un mero 0.1% más alta que la
objetivo o 12 011 Btu/kWh, ¿cuál es el aumento en el costo anual del combustible?
El cambio en el costo de combustible anual ($/año) para una desviación de 1 Btu/kWh en el régimen térmico puede calcularse simplemente como HRD/BE × FC × CF × UGC × T, (por sus siglas en inglés) donde:
HRD = desviación del régimen térmico (Btu/kWh) BE = eficiencia de la caldera
FC = costo de combustible (Btu/millones de $) CF = factor de capacidad de la central
UGC = capacidad total de la unidad (kW) T = 8760 horas por año
Si suponemos que BE = 88% para una central carbo- eléctrica típica de 500 MW, el costo de combustible es 2.01 dólares/MMBtu, CF = 85%, se calculará el cambio en el costo anual del combustible como 1/0.88 × 2.01/1 000 000 × 0.85 × 500 000 × 8760 = 8504 dólares/año. Una muy pequeña desviación de 11 Btu/kWh significa que el costo del combustible aumentará 93 540 dólares por año (vea el apartado).
GUÍAS GENERALES PARA EL RÉGIMEN TÉRMICO
Cambios pequeños en el régimen térmico producen grandes cambios en la factura de combustible anual de la central. Además, las pequeñas mejoras en el régimen térmico son a menudo inversiones muy económicas. Considere lo siguiente:
Una mejora de 1% (reducción en el régimen térmico) = 500 dólares en ahorros anuales para una central de 500 MW.
Una reducción de 5 grados F en la temperatura final del agua de alimentación incrementa el régimen térmico en 11.2 Btu/kWh, lo que resulta en un incremento promedio en el costo del combustible anual de 59 230 dólares, para una central típica de 500 MW.
La central carboeléctrica promedio en los Estados Unidos tiene un régimen térmico de ~12 000 Btu/kWh (con base en el valor de calentamiento más alto del carbón) con un rango de 9000 a 12 000 Btu/kWh.
1. Calentamiento eficiente del agua. El calentador de agua de alimentación utiliza vapor extraído de la turbina de vapor para calentar el agua entrante a la caldera. El efecto neto de este proceso es una eficiencia mejorada de la caldera y un régimen térmico menor de la central. Una planta de vapor común tendrá seis o siete calentadores de agua de alimentación. Fuente: Magnetrol International.
La moderna central de ciclo combinado accionada con gas tiene un régimen térmico neta de ~7000 Btu/kWh, la mejor en el asunto (con base en el valor de calentamiento inferior del gas natural).
Toda planta tiene muchas oportunidades para mejorar su régimen térmico.
OPERACIÓN DEL CALENTADOR DE AGUA DE ALIMENTACIÓN
Los calentadores de agua de alimentación se usan para calentar el agua de alimentación antes de que entre a la caldera. Cuanto más alta la temperatura del agua de alimentación, tanto menor combustible se requiere para producir el vapor utilizado en la producción de electricidad en la turbina de vapor. Sin embargo, el vapor se extrae de diferentes extracciones de la turbina de vapor para calentar el agua de alimentación, lo cual incrementa el régimen térmico de la central. El efecto neto del calentamiento del agua de alimentación utilizando vapor de extracción es una reducción en el régimen térmico de la central.
Las centrales carboeléctricas comunes tienen de seis a siete etapas de calentamiento del agua de alimentación. El número de calentadores de agua de alimentación es un balance económico entre el costo de capital agregado (el precio del calentador de agua de alimentación típico es de ~1.2 millones de dólares) y la eficiencia de operación mejorada en la vida de la planta (figura 1).
Los calentadores de agua de alimentación aprovechan el calor de la condensación (energía disponible del cambio de vapor saturado a líquido saturado) para precalentar el agua destinada para la caldera. En términos simples, el casco y el intercambiador de calor de tubos dirigen al agua de alimentación para que pase por el lado de los tubos mientras el vapor de extracción de la turbina se introduce en el lado de la carcasa (figura 2).
El proceso de calentamiento del agua de alimentación en realidad ocurre en tres etapas distintas. Primero, la zona de desrecalentado enfría el vapor sobrecalentado hasta el punto de que este se satura. Después, la zona de condensación extrae la energía de la mezcla de vapor/agua para precalentar el agua de alimentación de la caldera que pasa a través del lado de la tubería. Finalmente, un enfriador de drenaje se incorpora para capturar la energía adicional del líquido. Los tres procesos de calentamiento ocurren en su totalidad dentro de un calentador individual. CONTROLES DE NIVEL CONFIABLES REQUE-RIDOS
Puede afirmarse que el aspecto más importante del desempeño del calentador de agua de alimentación es el control de nivel preciso y confiable bajo todas las condiciones de operación. El control de nivel exacto asegura que la unidad opere en el área de eficiencia más alta (condensación directa) de manera que la transferencia térmica óptima ocurre mientras se evita el desgaste y rompimiento en el calentador del agua de alimentación y en otros componentes del sistema (figura 3).
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2. Proceso de tres etapas. Un calentador de agua de alimentación de alta presión estándar tiene tres secciones: desrecalentamiento, condensado y el enfriador o subenfriador de drenaje. Los calentadores de baja presión son similares en diseño, aunque ellos a menudo pueden eliminar la zona de desrecalentamiento. Este método de calentamiento del agua de alimentación es bastante más eficiente que confiar en quemar más combustible para que el agua llegue hasta la temperatura. Fuente: Magnetrol International.
3. Sobre el nivel. La modernización de los controles de nivel del calentador de agua de alimentación permite a los operadores manejar mejor las pérdidas controlables a la par de que se reducen de manera significativa los costos de mantenimiento. Los desplazadores de tubo de torque (ilustrados en la foto) son comunes en la industria y constituyen una de las modernizaciones más sencillas. Fuente: Magnetrol International.
El envejecimiento de la instrumentación del nivel introducirá errores de medición que reducirán la eficacia de un calentador de agua de alimentación. De hecho, los errores de más o menos 3 o 4 pulgadas en el nivel del agua son comunes en las centrales termoeléctricas típicas. Un calentador de agua de alimentación que presenta niveles de agua subóptimos experimentará una eficacia de calentamiento reducida. A su vez, los controles de la caldera deben activar la caldera de manera más compleja para restituir la energía perdida, quemando más combustible e incrementando el régimen térmico de la central. Si el nivel de condensado del calentador es mayor que el de diseño, la zona de condensación activa se reduce y los tubos en el calentador que deben condensar el vapor en vez de eso están subenfriando el condensado, lo cual es una pérdida de energía para el sistema.
Algunos diseños del calentador tienen los medios para desviar el agua de alimentación alrededor del calentador cuando los niveles de condensado fluctúan hasta los extremos de su cobertura de operación. Si los niveles de condensado se elevan demasiado, existe una posibilidad de inducción de agua hacia la turbina de vapor, lo cual puede tener consecuencias desastrosas. El calentador de agua de alimentación puede protegerse mecánicamente de estos eventos extremos, pero ciertamente la eficiencia de operación de la central se degrada.
Un nivel más bajo de lo aceptable del condensado introduce cantidades excesivas de vapor de alta temperatura al enfriador del drenaje, lo cual provoca que el condensado flashe como vapor. El daño resultante para la sección del enfriador del drenaje aumenta el costo de
mantenimiento y el tiempo del paro no programado. En algunos casos, los niveles bajos del calentador pueden provocar una mezcla de vapor y agua a través del calentador, lo que produce una reducción en la transferencia térmica, la cual también aumenta el régimen térmico de la central.
MONITOREO DEL DESEMPEÑO
Los parámetros primarios utilizados para monitorear el desempeño individual del calentador son el incremento de la temperatura del agua de alimentación, la diferencia de temperatura terminal (TTD, por sus siglas en inglés) y la cercanía del enfriador del drenaje (DCA, por sus siglas en inglés). Es posible tomar tres medidas importantes que proporcionarán información acerca de la eficiencia de operación de un calentador de agua de alimentación (figura 4):
El incremento de temperatura del agua de alimentación
es la diferencia entre la temperatura de salida del agua de alimentación y la temperatura de entrada de esta misma. Un calentador que se desempeña de manera apropiada debe cumplir con las especificaciones de diseño del fabricante, siempre que los controles de nivel estén a punto para la tarea.
La diferencia de temperatura terminal (TTD)
proporciona retroalimentación del desempeño del calentador de agua de alimentación relativo a la transferencia térmica y se define como la temperatura de saturación del vapor de extracción menos la temperatura de salida del agua de alimentación. Un aumento en la TTD indica una reducción en la
transferencia térmica, mientras que una disminución es una mejora. Los intervalos comunes para la TTD en el calentador de alta presión con y sin una zona de desrecalentamiento son, respectivamente, de -3F a -5F y 0F. La TTD para los calentadores de baja presión es por lo común alrededor de 5F. Se requieren tablas de vapor y la lectura precisa de presión para completar este cálculo.
La temperatura de la entrada del enfriador de drenaje
(DCA) es la diferencia de temperatura entre la salida del enfriador de drenaje y las temperaturas de entrada del agua de alimentación. Con la DCA se infieren los niveles de condensado presentes dentro del calentador de agua de alimentación. Una diferencia creciente de temperatura de la DCA indica que el nivel está disminuyendo, en tanto que la disminución de la temperatura de la DCA señala un incremento en el nivel. Un valor común para la temperatura de la DCA es 10F.
ERRORES INDUCIDOS POR INSTRUMENTOS Y RÉGIMEN TÉRMICO
Aunque existen varias anormalidades físicas que degradan el desempeño del calentador, esta sección se enfoca en cuestiones ligadas de alguna manera al control inadecuado del nivel que resulta en una temperatura del agua de alimentación final por debajo de la de diseño. Los problemas pueden variar de algo tan simple como lecturas inexactas o fluctuantes a través de varios instrumentos que dejan el nivel “real” en duda a aquellos que justifican dejar fuera de servicio el calentador de agua de alimentación. Independientemente de la severidad, la intención es mostrar el efecto de fluctuación que el pobre control del nivel del calentador de agua de alimentación tiene sobre la eficiencia total del ciclo de la caldera y la 4. Medidas de desempeño. El desempeño del agua de alimentación se cuantifica de tres maneras. El incremento de temperatura del agua de alimentación (la diferencia entre las temperaturas de salida y entrada de la misma), la diferencia de la temperatura terminal (la temperatura de saturación del vapor calentado y la temperatura de salida del agua de alimentación) y el enfoque del enfriador de drenaje (la diferencia de temperatura entre la salida del enfriador de drenaje y la temperatura de entrada del agua de alimentación). Fuente: Magnetrol International.
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Tabla 1. Estudio de caso 1. Esta tabla presenta los resultados de la temperatura del calentador de agua de alimentación final fuera de diseño en una central carboeléctrica de 500 MW. Con base en la baja temperatura de salida, el régimen térmico se elevó 47 Btu/kWh, agregando 243 000 dólares anualmente al costo de combustible de la central. Fuente: Magnetrol International.
turbina (incremento en el régimen térmico neto del ciclo de la unidad o la turbina). Aquí hay dos fuentes primarias de errores inducidos por el instrumento:
Desviación (mecánica o electrónica). La desviación
suele asociarse con el envejecimiento de la instrumentación, el movimiento de partes o es intrínseca al diseño, tal como con tubos/desplazadores de torque. Con esta tecnología, la calibración entre paros a menudo es necesaria para alcanzar una precisión razonable y evitar las molestas alarmas de desviación entre múltiples transmisores de niveles. El grado de reacción a los rápidos cambios de nivel también puede ser lento debido a los efectos de amortiguamiento fundamentales al principio de operación.
Tecnología de medición vulnerable. Muchas tecnologías
de medición son vulnerables a las condiciones cambiantes del proceso tales como los corrimientos en la densidad relativa y/o la constante dieléctrica de los medios relacionados con las variaciones en las presiones y temperaturas del proceso. Ciertas tecnologías no pueden proporcionar también un nivel exacto desde el arranque hasta las temperaturas de operación sin aplicar factores de corrección externos, o la exactitud especificada solo se logra a temperaturas de operación. En general, las tecnologías que entran en esta categoría incluyen presión diferencial, magnetostricción, capacitancia de radio frecuencia y tubo/desplazadores de torca.
La temperatura final más baja de lo esperado del agua de alimentación ocurre cuando un calentador de agua de alimentación se saca de servicio debido a una entrada de nivel no confiable al sistema de control o cuando el nivel es muy alto o bajo. Si la condición es un resultado del nivel alto del calentador de agua de alimentación, el operador notaría una disminución en el incremento de la temperatura del calentador de agua de alimentación, una reducción en la diferencia de temperatura de la DCA y un incremento en la TTD. Lo inverso es cierto si los niveles del calentador de agua de alimentación son demasiado bajos. En cualquiera de los escenarios, aumenta el riesgo de daño del hardware, empeora la transferencia térmica y el agua de alimentación hacia el economizador no está a la temperatura requerida. Existen dos respuestas probables del operador para una baja temperatura final del agua de alimentación, con ninguna de ellas deseable:
Sobrealimentar la caldera para aumentar la
temperatura (nivel demasiado alto/bajo o fuera de
servicio). Esta acción aumentará el consumo de
combustible y las emisiones, así como la temperatura del gas que sale del horno. La temperatura del gas incrementada elevará los regados de recalentamiento y sobrecalentamiento. Además, el flujo de vapor a través de las etapas de IP y LP (por sus siglas en inglés) de las turbinas de vapor aumentará (cuando el calentador está fuera de servicio), causando flasheo y daño potencial a
la sección del enfriador de drenaje y provocando posiblemente el daño térmico de los tubos.
Drenajes de emergencia abiertos al nivel más bajo
(nivel demasiado alto). Esta opción provoca una pérdida
inmediata de la eficiencia de la central y puede causar daño al herraje si el agua se induce hacia la línea de extracción. El peor caso ocurre cuando el agua se induce de vuelta hacia la turbina de vapor, causando una posible falla catastrófica. El mejor caso es que la protección de la inducción del agua de la turbina (TWIP, por sus siglas en inglés)) dispara la unidad, cerrando el calentador y causando una pérdida costosa de producción y otros costos relacionados.
ESTUDIOS DE CASOS
Los estudios de casos cubren dos temas clave relativos al desempeño del calentador de agua de alimentación. El primero detalla el costo de combustible anual incrementado que se asocia con una temperatura final del calentador de agua de alimentación fuera de diseño en una central carboeléctrica de 500 MW. Aunque esta situación particular no cae dentro de un caso extremo que garantice un desvío del calentador, ejemplifica cómo las compensaciones aparentemente menores en el control del nivel a menudo tienen un gran impacto en el régimen térmico de la unidad (tabla 1).
El segundo estudio de caso trae a la luz los riesgos y costos de operación cotidianos que las tecnologías de instrumentación ineficaz o envejecida tienen sobre la línea de base (tabla 2). En esta central, los calentadores de agua
de alimentación fueron sustituidos en 2002, pero se reutilizó la instrumentación original (controles de nivel neumático y mirillas de cristal antiguos de 1966). La instrumentación no confiable provocó fluctuaciones del nivel del calentador de agua de alimentación que causaron de manera intermitente un desvío de todos los calentadores de LP como parte de la protección de la inducción del agua de la turbina y pusieron en riesgo a la unidad de un disparo fuera de línea sorpresivamente.
Advierta que los estudios de caso no tomaron en cuenta los costos adicionales de las emisiones, los efectos en las eficiencias de la caldera y la turbina, las condiciones de sobrealimentación, la producción perdida y otros factores relacionados, discutidos antes.
En ambos estudios de caso, el retorno de la inversión de la modernización de la instrumentación de los calentadores de agua de alimentación de la central cayó en el marco de tiempo de 1.0 a 1.5 años.
Tabla 2. Estudio de caso 2. Justificación de costos del remplazo de la tecnología de los controles de nivel envejecida debido al excesivo desvío de los calentadores de BP. Fuente: Magnetrol International.
