INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSTGRADO E INVESTIGACIÓN

ANÁLISIS TÉRMICO DE LOS TUBOS DEL RECALENTADOR DEL

GENERADOR DE VAPOR DE LA UNIDAD 2 DE 350 MW DE LA

C.T. PDTE. PLUTARCO ELÍAS CALLES

T

E

S

I

S

PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS

EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA

ING. ARMANDO ZAPIÉN TAPIA

DIRECTOR DE TESIS

DR. GEORGIY POLUPAN

(2)

(3)

(4)

A G R A D E C I M I E N T O

Este apartado está dedicado a agradecer a todas a aquellas Personas e Instituciones que durante todo este arduo camino recorrido, pero enriquecedor a su vez, me han apoyado de un modo u otro, sin egoísmos siempre dispuestos a brindar lo necesario para mi crecimiento tanto profesional como humano, por todo lo anterior se me hace necesario mencionar y agradecer con total sinceridad y afecto lo siguiente:

Primeramente agradezco a Díos por permitirme disfrutar de la vida y darme fortaleza para cumplir mis metas.

A mis Padres La Sra. Ofelia Tapia Huante y el Sr. Roberto Zapién Aranda quienes son mi orgullo, ejemplo de dedicación y esfuerzo que gracias ellos me he forjado un destino. A mi Esposa Ma. Dolores Carrriedo Ramírez porque gracias a su incesante estimulo en los momentos duros del trabajo diario he logrado culminar este proyecto y emprender nuevos objetivos, a mis Hijos Armando, Gustavo y Eduardo que son mi inspiración a seguir a delante y por ausentarme en momentos importantes

Quiero agradecer a la CFE por permitirme ser el profesionista que hoy soy, al Subdirector de Generación Luis Carlos Hernández Ayala por fomentar la formación Profesional dentro de esta gran Institución.

Al INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL IPN en su sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco, Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) por abrirme las puertas y permitir ser un egresado más de esta Gran Institución.

Mi más sincero agradecimiento al Dr. Georgiy Polupan por su asesoría, paciencia y apoyo durante la realización de este trabajo, por su calidad humana y por su amistad, Muchas Gracias.

Un reconocimiento especial al M. en C. Guilibaldo Tolentino Eslava, Jefe del LABINTHAP por sus atenciones, sus comentarios y apoyo durante mi formación profesional dentro del INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

(5)

ÍNDICE GENERAL

PÁG

RESUMEN III

ABSTRACT IV

NOMENCLATURA V

RELACIÓN DE FIGURAS XII

RELACIÓN DE TABLAS INTRODUCCIÓN

XIV XV

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES

1.1 Central Termoeléctrica “Pdte. Plutarco Elías Calles”. 2

1.2 Organización interna. 3

1.3 Descripción del proceso de generación. 3

1.4 Generador de vapor MITSUBISHI 350 MW. 6

1.5 Antecedentes del problema. 13

1.6 Planteamiento de solución. 19

1.7 Aportación o beneficios del proyecto. 19

CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR Y DEL RECALENTADOR.

2.1 Metodología del cálculo térmico del hogar 21

2.2 Metodología del cálculo térmico del hogar “grande” incluyendo el volumen ocupado por SH2 y área de superficie del SH2.

34 2.3 Determinación de la temperatura de gases en salida del

banco de paneles del SH3. 40

2.4 Determinación de la temperatura de los gases en la

salida del RH2 – RH3. 40

2.5 Metodología de cálculo de la temperatura del vapor

principal en el tubo núm. 1 en la zona de falla. 41 2.6 Metodología de la temperatura de los gases en la salida

(6)

II

CAPÍTULO 3 CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR Y CÁLCULO TÉRMICO DE RECALENTADOR. 3.1 Cálculo térmico del hogar del generador de vapor (sin

volumen ocupado por paneles de SH2 y SH3).

56 3.2 Cálculo térmico del hogar del generador de vapor

(incluyendo el volumen ocupado por los paneles del SH2 y el área de superficie de SH3).

76

3.3

3.4

Determinación de la temperatura de los gases en la salida del SH3 del generador de vapor de 350 MW.

Determinación de la temperatura de los gases en la salida del RH2 – RH3.

94

96

CAPÍTULO 4 ANÁLISIS TÉRMICO DEL RECALENTADOR DEL GENERADOR DE VAPOR.

4.1 Análisis de la temperatura del vapor en el tubo núm. 1 en

la zona de fallas.

99 4.2 Calculo de la densidad de flujo de calor en la zona de fallas 107 4.3 Análisis de la temperatura del metal del tubo núm. 1 en la

zona de fallas.

110

4.4 Análisis de los resultados obtenidos. 114

CONCLUSIONES 116

RECOMENDACIONES 118

REFERENCIAS 119

ANEXO 1. Estadística de fallas. 122 ANEXO 2. Características termodinámicas de los productos

de la combustión del carbón mineral.

133

ANEXO 3. Parámetros operativos y características de diseño del Generador de Vapor.

137

ANEXO 4. Curvas de comportamientos del Generador de Vapor.

140

ANEXO 5. Planos y dibujos del arreglo general del Generador de Vapor.

(7)

R E S U M E N

En la presente Tesis 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 a carga térmica del 100 % perteneciente a la “C.T. Presidente Plutarco Elías Calles”. Para el análisis térmico de los tubos del recalentador se desarrollaron dos procedimientos del cálculo térmico del hogar para determinar las temperaturas y entalpías de los gases en las salidas del hogar y del sobrecalentador secundario. En el primero se consideró el volumen del hogar limitado por las superficies radiantes de tubos de las paredes de agua, y el segundo consideró también el volumen ocupado por los tubos del sobrecalentador secundario incluyendo la superficie de calefacción de este banco. Se desarrolló la metodología para el cálculo de la temperatura de los gases en la salida y la entrada del recalentador. Además, se desarrolló la metodología del cálculo de las temperaturas del metal de los tubos del recalentador en la zona de fallas.

En el cálculo térmico del hogar se obtuvo la temperatura de los gases en la ventana de salida de 1184 ºC, la cual es mayor en 180 ºC al valor de diseño. Por lo tanto, las temperaturas de los gases en los bancos de tubos colocados después del hogar (SH2 y SH3) también están elevadas. Se obtuvo la temperatura de los gases en la entrada y la salida del sobrecalentador SH3. Ésta temperatura incluye el volumen ocupado por el banco de tubos del sobrecalentador SH2 y el resultado del balance de calor en el sobrecalentador SH3. Las temperaturas en la entrada y la salida del sobrecalentador SH3 son 963ºC y 818ºC respectivamente. Ésta última temperatura de los gases, en la salida del sobrecalentador SH3, es igual a la temperatura de los gases en la entrada del recalentador secundario.

Se obtuvo una temperatura del vapor de 474 ºC en el tubo núm. 1 en la zona de fallas del panel 20 del banco del recalentador secundario. Finalmente, se determinó la temperatura del metal en el radio medio del tubo núm. 1 en la zona de fallas igual a 614.6 ºC. 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 de acuerdo con el fabricante. Por lo que los tubos del recalentador secundario en la zona de fallas

(8)

A B S T R A C T

In the present Thesis a thermal analysis has been done to the reheater exchanger tubes from 350 MW unit number 2 steam generator from the Pdte. Plutarco Elias Calles power plant, during mineral coal firing at 100% thermal load.

For the thermal analysis of the reheater exchanger tubes two methodologies where developed, in order to determine the furnace and superheater exit gas temperature and enthalpy. First part considers the area of the tubes radiated by the flame, and the second part considers the area of the walls occupied by the secondary superheater, including the area of this panels, a third methodology was developed to calculate both, inlet and outlet gas temperature in the reheat exchanger. And a fourth a methodology to calculate the metal tubes temperature of the reheat exchanger in the failure zone.

In the thermal calculation of the furnace, gas temperature obtained in the outlet window was 1184 ºC, 180 ºC above the design temperature value. There for, gas temperature in superheater panels SH2 and SH3 are higher. The Inlet and outlet gas temperature of the superheater SH3 where calculated. This calculation includes the volume occupied by superheater SH2 panels and the result of the thermal balance of superheater SH3. Inlet and Outlet temperatures in superheater SH3 are 963 ºC and 818 ºC, being 818°C the gas temperature at the secondary superheater outlet and reheater inlet gas temperature.

The steam temperature obtained of pipe number #1 in the failure zone of panel number 20 in the secondary reheater was 474 ºC. Finally metal temperature was determined by the average ratio of pipe num. 1 in the failure zone of panel num. 20 corresponding to 614.6 ºC. The pipe material of the panels for secondary reheater is SA-213-T22 steel, which has a design work temperature limited to 579 ºC (according to manufactures data). There for number 1 pipe´s of the secondary reheater in the failure zone of panel´s number 20 are operating above 35.6 °C of temperature.

(9)

NOMENCLATURA

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN UNIDAD

SI Área de una pared del hogar del generador de

vapor

pp

A Área de la pared posterior de hogar del generador

de vapor.

A

Área de la ventana superior por donde abandonan los gases el hogar y se introduce a los elementos del sobrecalentador secundario.

. .

p f ocup

A

Área de pared frontal ocupada. 2

m

. .

comb

B

_{Gasto de combustible.}

kg s

/

Bo Número de Boltzman. adimensional

Bu Número de Buger. adimensional

pared

(10)

VI

TESIS DE GRADO ING. ARMANDO ZAPIÉN TAPIA

Bu

%

Número de Buger efectivo. adimensional

C

Contenido del carbono por ciento en composición

/

gases

G Masa de los gases producto de la combustión de 1

kg de combustible (ecuación 2.28).

kg kg

/

H

Contenido del hidrógeno por ciento en _{composición másica del combustible.}

_%

vI

h

_{Entalpía de vapor sobrecalentado.}

kJ kg

/

aa

h

Entalpía del vapor secundario en salida del

recalentador.

" 3

RH

(11)

1 .20 .1. .5 panel tubo p

h

Entalpía del vapor en el punto 5 del tubo núm.1

panel 20 del RH2.

_{kJ kg}

_/

2 3

RH RH

h

₋

∆

Diferencia de entalpías de vapor en salida del RH3

y en entrada de RH2.

kJ kg

/

1 .20 1, .5 panel tubo p

h

∆

Cambio de entalpía de vapor desde entrada al

tubo núm.1 panel 20 del RH2 hasta punto 5.

/

kJ kg

nomograma

h

_{Coeficiente de convección de nomograma 12 [6].}

2 W m ⋅K

2

h

Coeficiente de convección de vapor hacia la

superficie interna de los tubos. 2

W m ⋅K

"

_hogar

I

Entalpía de los gases de combustión a la salida del

hogar.

kJ kg

/

.

aire frio

I

Entalpía del aire frío en entrada de precalentador

de aire.

kJ kg

/

aire

I

Entalpía del aire caliente a la salida de

precalentador de aire.

kJ kg

/

3

coque

k

Coeficiente de disminución de los rayos por las

partículas de coque.

1/(

m MPa

⋅

)

cenizas

k

Coeficiente de disminución de los rayos por _{partículas de cenizas.}

_1/(

_{m MPa}

_⋅

₎

gas

k

Coeficiente de disminución de los rayos por gases

triatómicos (CO2, SO2, H2O).

1/(

m MPa

⋅

)

k

Coeficiente de disminución de la radiación por el _{medio del hogar.}

1/(

m MPa

⋅

)

met

k

Coeficiente de conductividad térmica del metal SA-_{213-T22 de los tubos del RH2.} W

m K⋅

L

Altura total del generador de _vapor.

_m

hogar

L

Altura del hogar del generador de vapor.

m

(12)

VIII

n

l

,

l l l

1 2

, ..

4

Altura de cada nivel de quemadores desde el

fondo del hogar.

m

M

Parámetro M significa la posición del núcleo de la

llama en el hogar. adimensional

0

M

Constante obtenida de tablas para combustibles y

quemadores tangenciales en las esquinas del

hogar. adimensional

comb

m

&

Gasto de combustible.

_{kg s}

_/

vapor

m

&

Gasto másico del vapor.

/

kg s

i

m

Gasto másico del vapor por el tubo número

i

(

i

=1…10) del RH2-RH3.

/

kg s

prom

m

Gasto másico del vapor por el tubo del RH2-RH3 promedio.

/

kg s

n

Número de quemadores por elevación.

. num paneles

n

_{Número de paneles en RH2-RH3.} . num tubos

n

_{Número de tubos en panel de RH2-RH3.}

.

num

O

Contenido del oxígeno por ciento en composición

másica del combustible. %

P

Presión en la cámara de combustión.

MPa

_

P

Presión en RH2-RH3.

MPa

PCI

Poder calorífico inferior del combustible.

kJ kg

/

aire

Q

_{Calor físico de aire caliente.}

_{kJ kg}

_/

.

aire ext

Q

Calor físico del aire calentado por una fuente

externa.

kJ kg

/

comb

Q

_{Calor físico del combustible.}

_{kJ kg}

_/

disp

Q

(13)

gv

Q

kJ kg

/

1

Q

Calor transferido en el tubo núm.1 hasta el punto

5 en RH2-RH3, ec.(4.3 y 4.4).

kJ kg

/

q

_{Densidad de flujo de calor.} 2

/

MW m

zca

q

Densidad de flujo de calor reflejado en la zona de _{combustión activa.} 2

/

kJ m s

centro

q

Densidad de flujo de calor en centro del ducto de

RH2.

kJ m s

r

Volumen relativo ocupado por los gases

triatómicos en los productos de la combustión. adimensional

2 H O

r

Volumen relativo ocupado por vapor de agua en

los productos de la combustión. adimensional

S

Espesor de capa de los gases que iluminan hacia _{superficies radiantes.}

' 2 1 RH metal tubo

T Temperatura del metal del tubo núm.1 de RH2

predeterminada.

K

comb

(14)

X

met

t

Temperatura del metal del tubo del RH2. o

C

int

t

Temperatura del metal en el radio promedio del tubo del RH2 en punto 5 (en la mitad del espesor del tubo).

o

C

ext

t

Temperatura del metal en el radio externo del tubo del RH2 en punto 5 (en la Superficie externa del tubo).

o

C

u

Velocidad.

m s

/

U

Coeficiente de transferencia de calor global kW₂

m ⋅K

0

gas

V

Volumen de los productos de la combustión _{estequiométrica de 1 kg de combustible.} 3

/

m

kg

2

o N

V

Volumen de nitrógeno en los productos de combustión estequiométrica de 1 kg de combustible.

3

/

m

kg

gas

V

Volumen de los productos de la combustión de 1

kg de combustible a condiciones de referencia.

3

/

m

kg

aire

V

Volumen de aire para la combustión de 1 kg de

combustible.

3

/

m

kg

(

V c

⋅

)

Calor específico de los productos de la combustión _{promedio en el hogar.}

kJ kgK

/

hogar

V

Volumen del hogar.

_m

3

Volumen de gases RO2 (suma de gases CO2 y

SO2) en los productos de la combustión de 1 kg de

combustible.

3

/

m

α

Coeficiente del exceso de aire en el hogar.

adimensional

ϕ

Coeficiente de conservación de calor en el hogar. adimensional

2

RO

(15)

ψ

Coeficiente de eficiencia térmica de paredes de

tubos de agua en hogar. adimensional

ψ

Coeficiente de eficiencia térmica de las superficies

del hogar “corte” promedio. adimensional

1

ψ

Coeficiente de eficiencia térmica de las superficies

del hogar “grande” promedio. adimensional

γ

Coeficiente para el cálculo del coeficiente de

convección. adimensional

δ

Espesor del tubo.

m

diseño

η

La diferencia relativa en áreas de transferencia de

calor de diferentes paneles del RH2-RH3. adimensional

q

η

Mala-distribución térmica en el ducto de RH2-RH3. adimensional

ancho q

η

Mala-distribución de calor entre los paneles de

RH2-RH3 por ancho del ducto. adimensional

.

tubo ext q

η

Mala distribución de calor entre los tubos en cada

panel de RH2-RH3 para tubo exterior adimensional

cenizas

µ

Concentración de cenizas en productos de

combustión de 1 kg de combustible.

kg kg

/

coque

µ

Concentración de coque en productos de

combustión de 1 kg de combustible.

kg kg

/

q

ρ

Mala-distribución calorífica en línea de tubos núm.

1 del RH2. adimensional

hidr

ρ

Mala-distribución hidráulica entre los tubos núm.1

paralelos en RH2-RH3. adimensional

0

σ

Constante de Stefan –Boltzman = 5.67x10-11 2 4

/ kW m K

ξ

Coeficiente de emisividad de los gases en entrada

de RH2. adimensional

cont

ξ

Coeficiente de emisividad de superficies de los

tubos del RH2 contaminadas por cenizas RH2. adimensional

.

ocup

ξ

Factor de emisividad de paneles. adimensional

libre

ξ

Factor de emisividad de pared ocupada por

paneles. adimensional

_ entre paneles

ξ

Factor de emisividad entre paneles. adimensional

χ

El factor de forma de superficie. adimensional

"

hogar

θ

Temperatura relativa de los gases a la salida del

hogar. adimensional

(16)

XII

RELACIÓN DE FIGURAS

CAPÍTULO 1

Fig. 1.1 Vista de la Central Termoeléctrica “Pdte. Plutarco Elías Calles” [2]

Fig. 1.2 Organigrama de la C.T. “Pdte. Plutarco Elías Calles” [1]

Fig. 1.3 Equipos principales de una Planta Térmica [3]

Fig. 1.4 Equipos principales y auxiliares que conforman una Central Termoeléctrica [4]

Fig. 1.5 Diagrama del Generador de Vapor (G.V.) [4]

Fig. 1.6 Diagrama simplificado del sistema agua-vapor del G. V. [3]

Fig. 1.7 Diagrama simplificado del sistema vapor principal del generador de vapor de 350 MW [3]

Fig. 1.8 Diagrama simplificado del sistema vapor principal y vapor recalentado [4]

Fig. 1.9 Diagrama simplificado del sistema aire gases del G.V. [4]

Fig. 1.10 Diagrama del proceso de combustión [4]

Fig. 1.11 Análisis de fallas de los elementos de los generadores de vapor[5]

Fig. 1.12 Gráfica de Pareto de indisponibilidad de fallas en la Central 1998–2006 [5] CAPÍTULO 2

Fig. 2.1 Esquema del cálculo de la temperatura de los productos de combustión en la salida del hogar [20, 21].

CAPÍTULO 3

Fig. 3.1 Construcción del hogar “corto” del generador de vapor de 350 MW

Fig. 3.2 Construcción del hogar “grande” del generador de vapor de 350 MW (incluye el volumen ocupado por el banco de paneles del SH2)

Fig. 3.3 Dimensiones del panel del sobrecalentador SH2 [4]

Fig. 3.4 Dimensiones separación entre paneles del sobrecalentador SH2 [4]

Fig. 3.5 Dimensiones de los paneles de los sobrecalentadores SH2 y SH3 [4]

Fig. 3.6 Diagrama del sobrecalentador SH3 [4]

(17)

CAPÍTULO 4

Fig. 4.1 Zona de fallas en recalentador RH2 – RH3 [4]

Fig. 4.2 Dimensiones del panel del RH2–RH3 [4]

Fig. 4.3 Zona de fallas de codos del tubo núm. 1 en RH2–RH3 [12]

Fig. 4.4 El volumen libre entre paneles del RH2 y RH3

Fig. 4.5 La “vida útil” de los tubos perliticos de recalentadores que operan con

(18)

XIV

RELACIÓN DE TABLAS

CAPÍTULO 3

Tabla 3.1 Áreas de las superficies que limitan el hogar del generador de vapor. Tabla 3.2 Áreas de las superficies radiantes en el hogar “corto” del generador de

vapor.

Tabla 3.3 Entalpías y caudales del agua en el generador de vapor a carga térmica 100%.

Tabla 3.4 Entalpías de los gases con cenizas producto de la combustión del carbón mineral.

Tabla 3.5 Áreas de las superficies que limitan el volumen del hogar incluyendo el volumen que ocupa el SH2 del generador de vapor.

Tabla 3.6 Áreas de las superficies radiantes del hogar “grande” incluyendo las áreas en el volumen que ocupan los paneles del SH2

Tabla 3.7 Entalpías y caudales del vapor a través del SH3. Tabla 3.8 Entalpías y caudales del vapor a través del RH2–RH3.

(19)

INTRODUCCIÓN

La Central Termoeléctrica “Presidente Plutarco Elías Calles”, cuenta con 6 unidades generadoras con capacidad de 350 MW cada una, inicia su operación comercial en noviembre de 1993. Los generadores de vapor operaron con combustóleo hasta el año 2000, periodo en donde se presentaron periódicamente fallas en los tubos de las secciones centrales del recalentador secundario (RH2), reflejándose en gran cantidad de fallas de tubos debido a la corrosión por alta temperatura. A partir del año 2001 los generadores de vapor iniciaron su operación con carbón mineral. El número de fallas en los elementos del recalentador

secundarioimpactaron en gran medida en todas las unidades. De acuerdo con las

estadísticas, la indisponibilidad por falla de las unidades indica que desde 1999 el 75 % de salidas forzadas han sido por causa de rotura de tubos en los elementos de los generadores de vapor (recalentador, sobrecalentador, paredes del hogar). Éstas fallas han sido analizadas por el laboratorio de metalografía de LAPEM, encontrando que el factor común de causa de falla ha sido el sobrecalentamiento prolongado del metal. Lo anterior se refleja en un impacto económico por la indisponibilidad por falla de la unidad, de aquí la importancia que se tiene en analizar las condiciones operativas de los tubos.

Éste trabajo de tesis tiene como objetivo el estudio térmico del recalentador secundario del generador de vapor de 350 MW, desarrollando una metodología de cálculo de la temperatura del metal de los tubos de las secciones centrales del panel en la zona de fallas. Los resultados obtenidos permitirán establecer las recomendaciones para incrementar la vida útil del material afectado de los elementos del recalentador secundario, disminuyendo las fallas por sobrecalentamiento prolongado, lo cual repercutirá en una mayor disponibilidad de generación y un ahorro considerable de combustible.

(20)

XVI XVI El trabajo se divide en 4 capítulos.

En el primer capítulo se describe la Central Termoeléctrica “Presidente Plutarco Elías Calles”, y se da una explicación detallada del funcionamiento del generador de vapor, así mismo se describen las características de los elementos que lo conforman.

En el segundo capítulo se presenta la metodología para el cálculo térmico del hogar, obteniéndose la temperatura de los gases en la salida del mismo. Además, se desarrolla la metodología para el cálculo de la temperatura de los gases en la salida y la entrada del recalentador; por último, se presenta la metodología del cálculo de las temperaturas del metal de los tubos del recalentador en la zona de fallas.

En el capítulo tercero se presenta la aplicación de las metodologías desarrolladas en el capítulo anterior, obteniéndose los valores de la temperatura de los gases a la salida del hogar y en la entrada y la salida del recalentador secundario y terciario.

En el capítulo cuarto se presenta el análisis de la temperatura del vapor en el tubo 1 del panel núm. 20, aplicando la metodología de mala-distribución hidráulica en el recalentador, y método de mala-distribución térmica en ducto de gases del generador de vapor. Finalmente, se determinan la temperatura del vapor y la temperatura del metal del tubo 1 en la zona de fallas.

(21)

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES

En este capítulo se describe a la Central Termoeléctrica Pdte. Plutarco Elías Calles, y se da una explicación detallada del funcionamiento del generador de vapor de una unidad de 350 MW, así mismo se describen las características de los principales elementos que la conforman.

(22)

2

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES.

En este capítulo se presenta información sobre las características principales de la Central Termoeléctrica “Presidente Plutarco Elías Calles” y una descripción del proceso de generación, además se presentan los datos técnicos de operación del generador de vapor de la unidad núm. 2 la cual es la unidad de nuestro tema de estudio.

1.1 CENTRAL TERMOELÉCTRICA “PRESIDENTE PLUTARCO ELÍAS CALLES” La Central Termoeléctrica “Presidente Plutarco Elías Calles” se caracteriza por ser del tipo dual, pues dispone de instalaciones para generar energía eléctrica con carbón mineral como combustible base y combustóleo pesado como insumo alterno, cuenta con 2,100 MW de capacidad instalada en sus seis unidades. Se localiza en el kilómetro 28 de la carretera Lázaro Cárdenas – Zihuatanejo, dentro de la localidad de Petacalco municipio de la Unión estado de Guerrero. La Central satisface con un 30% de su producción la demanda de electricidad del Puerto de Lázaro Cárdenas, Michoacán, donde se asientan importantes instalaciones Siderúrgicas, Petroleras y Bienes de Capital. El 70% restante de energía se proporciona al Distrito Federal [1].

La Central, fue oficialmente inaugurada el día 02 de junio de 1994.

(23)

1.2 ORGANIZACIÓN INTERNA

La organización interna de la Central se ha integrado con personal que cubre las diferentes áreas de acuerdo a su especialidad con el objeto de garantizar el buen funcionamiento de la misma. La dirección está a cargo de la Superintendencia General con líneas de mando hacia las Superintendencias de Producción, Mantenimiento e Ingeniería, enseguida se muestra un organigrama.

Figura 1.2 Organigrama C.T. Pdte. Plutarco Elías Calles [1]

1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE GENERACIÓN

Una planta térmica es aquella que aprovecha la energía química de los combustibles derivados del petróleo como el bunker, diesel, gas natural y otros como carbón mineral para producir electricidad [3].

Existen varios tipos de plantas térmicas, pero todas se componen de tres elementos básicos:

Un elemento que produce energía calorífica = quemado de combustible Un elemento que produce energía mecánica = turbina

(24)

4

En seguida se muestra un diagrama esquemático que conforman estos elementos formando un proceso de generación.

Figura 1.3 Equipos principales de una Planta Térmica [3].

1.3.1 Centrales Termoeléctricas.

En una Central Termoeléctrica se llevan a efecto tres transformaciones de energía. La primera consiste en transformar la energía química almacenada en el combustible en energía térmica para producir vapor en la caldera; la segunda consiste en convertir la energía térmica del vapor en energía mecánica por medio de la turbina, y la tercera consiste en trasformar esta energía mecánica en energía eléctrica. Esta última conversión de energía es llevada a cabo por el generador eléctrico [3].

En seguida se muestra un diagrama esquemático de los equipos principales y auxiliares que conforman una Central Termoeléctrica.

(25)

(26)

1.4 GENERADOR DE VAPOR MITSUBISHI 350 MW

Su función es la de transformar el agua en vapor con una presión y temperatura determinada mediante la transformación de la energía química contenida en el combustible.

El proceso de generación de vapor, se lleva a cabo por medio de un grupo de elementos de transferencia de calor, a través de los cuales se aprovecha el calor generado durante la combustión del combustible. Es necesario aclarar que el término caldera se utiliza como equivalente del generador de vapor por ser una práctica común de ingeniería.

(27)

1.4.1 Descripción funcional del sistema agua – vapor.

El sistema tiene la finalidad de producir vapor saturado seco que posteriormente lo recibirá el sobrecalentador para darle las características requeridas por la turbina. El agua de alimentación llega al economizador a través de un cabezal de entrada y fluye en forma ascendente en contra flujo respecto a los gases de combustión, efectuando un recorrido por el interior de los tubos y recibiendo calor de los gases de la combustión, para entrar luego al domo superior por la parte inferior a través de dos tuberías que se conectan con el cabezal de alimentación que va a todo lo largo del domo; posteriormente el agua desciende hasta un cabezal común de succión de tres bombas de circulación forzada. Cada bomba descarga a través de dos líneas al domo inferior, de aquí, el agua es distribuida a las paredes de agua; donde ascenderá debido a la presión proporcionada por las bombas de circulación forzada. Al ir ascendiendo el agua por el interior de los tubos de las paredes, se incrementa su temperatura por el fenómeno de convección de tal forma que una parte del agua se evapora llegando al domo una mezcla de agua - vapor del 20 al 40% de agua. Esta mezcla se hace pasar por los separadores internos en el domo superior, eliminándose la humedad que lleva todavía el vapor. Finalmente este vapor saturado seco fluye a través de una serie de tuberías que se conectan a un cabezal de entrada de las paredes enfriadas por vapor (techo del hogar y ducto de gases, pared posterior y pared lateral que forman el ducto de salida de gases de la zona convectiva [3].

(28)

1.4.2 Descripción funcional del sistema vapor sobrecalentado.

La función de este sistema es la de incrementar la temperatura del vapor saturado aumentando su energía térmica.

El sobrecalentador del generador de vapor está compuesto por cinco etapas o secciones, una sección llamada paredes enfriadas por vapor, la cual está formada por el techo del hogar, una serie de tubos verticales que cierran el paso de los gases formando unas paredes laterales y posterior. Estos elementos cuentan con tres cabezales conocidos como: cabezal de entrada a las paredes enfriadas por vapor, cabezal de salida de vapor de baja temperatura y un cabezal intermedio entre los anteriores que se conoce como cabezal en “U”. Las paredes enfriadas por vapor reciben el vapor saturado proveniente del domo y lo descargan al cabezal de entrada del sobrecalentador primario [4].

La siguiente sección consiste en la primera etapa de sobrecalentamiento (SH1), en donde el vapor del cabezal de salida de las paredes enfriadas por vapor es conducido por dos tuberías al cabezal de entrada del sobrecalentador primario, éste se encuentra ubicado en la zona convectiva, en la parte superior del economizador, y está formado por una sección horizontal y una vertical. El cabezal de salida del sobrecalentador primario y el cabezal de entrada al sobrecalentador secundario están unidos por medio de dos tuberías y en cada una de ellas se encuentra un atemperador que utiliza agua de alimentación para controlar la temperatura del vapor a la salida del segundo sobrecalentador.

La segunda sección de sobrecalentamiento (SH2), se localiza entre la pared frontal del hogar y el sobrecalentador terciario en la zona radiante del hogar, el cabezal de salida se une por medio de dos tuberías al cabezal de entrada del sobrecalentador terciario y en cada una de ellas hay un atemperador que utiliza agua de alimentación para controlar la temperatura del vapor a la salida del sobrecalentador cuaternario.

La tercera sección lo conforma el sobrecalentador (SH3), el cual está ubicado entre el sobrecalentador secundario y la pared deflectora que forma la nariz del hogar, frente al recalentador secundario, en el cabezal de entrada del sobrecalentador terciario se encuentra la alimentación al cabezal de vapor auxiliar y al sistema de sopladores de hollín.

El cuarto sobrecalentador (SH4), se encuentra ubicado en zona convectiva frente a la sección vertical del sobrecalentador primario.

(29)

(30)

1.4.3 Descripción funcional del sistema vapor recalentado.

El vapor que sale del sobrecalentador cuaternario (SH4) se dirige hacia la turbina de alta presión donde efectúa su primera etapa de trabajo. Posteriormente, el vapor al salir de la turbina de alta presión (vapor recalentado frió RH) es dirigido a través de dos tuberías a un cabezal de entrada del recalentador; este vapor recibe el nombre de vapor recalentado y está conformado por tres etapas [4].

El recalentador cuenta con dos atemperadores, que están instalados en las líneas del recalentado antes de entrar al cabezal de entrada del primer recalentador. Mediante este medio se controla la temperatura del vapor recalentado en 540º C. El primer recalentador (RH1) se localiza en zona radiante, en la parte superior del hogar formando una pared de tubos que contempla la pared frontal y media pared lateral lado norte y lado sur, estos elementos forman una sola fila y se encuentran encima de la pared de agua –vapor frente al sobrecalentador secundario.

El segundo recalentador y tercer recalentador (RH2 – RH3), están localizado frente (superior) de la rampa deflectora (nariz del hogar) frente al sobrecalentador terciario, son del tipo vertical.

(31)

1.4.4 Descripción funcional del sistema aire – gases.

El sistema aire – gases del generador de vapor tiene como función suministrar el aire en cantidad suficiente para que se lleve acabo una combustión completa; así como facilitar la expulsión de los gases producto de la combustión.

Se cuenta con dos ventiladores de tiro forzado los cuales succionan aire de la atmósfera y lo descarga a un ducto en donde se encuentran los calentadores de aire – vapor cuya función es incrementar la temperatura de suministro de aire para proteger de la corrosión al precalentador regenerativo de aire evitando que la temperatura de los gases descienda hasta alcanzar el punto de rocío.

Los precalentadores de aire regenerativos se encuentran inmediatamente después de los calentadores aire – vapor. Los ductos encargados de conducir el aire ya precalentado, descargan cada uno en una caja de aire; de donde se suministra para la combustión a través de compuertas instaladas para cada quemador.

(32)

1.4.5 Descripción funcional del proceso de combustión.

La combustión se define como una rápida combinación química del oxigeno con los elementos combustibles, con desprendimiento de calor.

Desde el punto de vista de combustión, los elementos químicos principales en el combustible son tres: carbono, hidrógeno y azufre. El objetivo es liberar todo este calor minimizando las pérdidas por combustión incompleta y aire innecesario, es decir, que mientras más completa y limpia es la combustión, el calor producido y aprovechado es mayor, mientras disminuye la contaminación del aire.

(33)

1.5 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA

La Central inicia su operación comercial en noviembre de 1993 y es inaugurada en el año de 1994. Los generadores de vapor iniciaron su operación con combustóleo hasta el año 2000, la experiencia mostró que debido a las propiedades químicas del combustóleo los elementos del centro del panel del recalentador secundario (RH2) se vieron afectados, reflejándose en una gran cantidad de fallas de tubos debido a la corrosión por alta temperatura. A partir del año 2001 los generadores de vapor iniciaron su operación con carbón mineral. En la gráfica 1.11, se muestra un análisis de energía no generada por falla en elementos de los generadores de vapor de la central.

ANÁLISIS DE FALLAS EN ELEMENTOS DE LOS GENERADORES DE VAPOR

Derivado de la puesta en servicio de las unidades con carbón en la Central a partir del año 2001, se incrementaron las salidas forzadas de las unidades por ruptura de tubos de los elementos de los generadores de vapor, lo anterior se presentó debido al incremento de la temperatura de los gases en el hogar por la adherencia de la ceniza en las paredes y elementos, lo cual ocasiona una disminución de la transferencia de calor en paredes y en elementos.

En seguida se muestra la estadística de fallas que se han tenido en la Central.

(34)

Figura 1.12 Número de fallas en elementos del generador de vapor.

PAREDES DE AGUA DEL GENERADOR DE VAPOR No. de fallas del 2001 a mayo del 2010.

UNIDAD 1 2 3 4 5 6 CENTRAL No. Fallas 6 2 10 6 10 5 39 ENOG (MWh) 138,787 81,420 254,237 182,407 270,403 128,917 1,056,171 ZONA DE FALLA

Las principales fallas se han

presentado en la zona de los sopladores cortos IR´s debido al adelgazamiento del espesor del tubo de pared por la erosión del vapor, así como por fallas en los sopladores debido a descalibración mecánica y/o fallas eléctricas que provocan que se queden insertados y soplando.

(35)

SOBRECALENTADOR PRIMARIO. No. de fallas del 2001 a mayo del 2010.

UNIDAD 1 2 3 4 5 6 CENTRAL

No. Fallas 1 1 2 1 3 8 17

ENOG

(MWh) 29,157 36,231 35,717 25,968 114,293 349,071 590,437 ZONA DE FALLA

La principal zona de falla del

sobrecalentador primario se

comenzaron a presentar en el año 2006 y se deben principalmente a la erosión de las cenizas en el inicio de la primer sección recta ubicadas en los tubos a la salida del cabezal de entrada, (zona cercana a la pared de los ductos de gases lado precipitador).

El mecanismo de falla se presenta por la erosión de la cenizas sobre la pared exterior de los tubos en la zona de la

primer curvatura provocándoles

adelgazamiento de su espesor de la pared exterior del tubo haciéndolo fallar.

SOBRECALENTADOR SECUNDARIO. No. de fallas del 2001 a mayo del 2010.

UNIDAD 1 2 3 4 5 6 CENTRAL

No. Fallas 0 0 0 1 0 2 3

ENOG

(MWh) 0 0 0 15,481 0 97,293 112,774

ZONA DE FALLA

Las fallas que se han presentado en la curva de 180° de los tubos portantes de los paneles. El mecanismo de falla se presenta por degradación del metal debido a sobrecalentamiento prolongado por encontrarse en la zona radiante.

(36)

SOBRECALENTADOR TERCIARIO. No. de fallas del 2001 a mayo del 2010.

UNIDAD 1 2 3 4 5 6 CENTRAL No. Fallas 9 6 7 1 3 7 33 ENOG (MWh) 259,397 209,002 246,594 31,296 109,190 242,032 1,097,511 ZONA DE FALLA

Las fallas que se han presentado en la curva de 180° de los tubos portantes de los paneles.

El mecanismo de falla se presenta por degradación del metal debido a sobrecalentamiento prolongado por encontrarse en la zona radiante.

SOBRECALENTADOR CUATERNARIO. No. de fallas del 2001 a mayo del 2010.

UNIDAD 1 2 3 4 5 6 CENTRAL

No. Fallas 1 0 0 0 0 0 1

ENOG

(MWh) 16,247 0 0 0 0 0 16,247

ZONA DE FALLA

No aplica debido a que solo se ha presentado una falla.

(37)

RECALENTADOR PRIMARIO.

En el período 2001 a mayo del 2010 no se han presentado fallas en estos elementos.

RECALENTADOR SECUNDARIO No. de fallas del 2001 a mayo del 2010.

UNIDAD 1 2 3 4 5 6 CENTRAL No. Fallas 13 21 5 13 9 11 72 ENOG (MWh) 336,911 610,957 143,567 333,952 225,425 332,413 1,983,225 ZONA DE FALLA La principal zona de falla que se ha presentado en estos elementos es en la parte inferior de las curvas lado radiante. El mecanismo de falla

se presenta por

sobrecalentamiento prolongado debido a que el material de los paneles instalados en estos elementos, por

diseño no soportaba la temperatura de los gases en la zona donde se encuentra ubicado (Parte superior de la nariz), llegando a fallar el material, formándosele grietas longitudinales.

RECALENTADOR TERCIARIO No. de fallas del 2001 a mayo del 2010.

UNIDAD 1 2 3 4 5 6 CENTRAL

No.

Fallas 18 4 0 11 1 0 34

ENOG

(38)

ZONA DE FALLA La principal zona de

falla que se ha

presentado en estos elementos es en la parte inferior de las curvas lado radiante. El mecanismo de falla

se presenta por

sobrecalentamiento prolongado debido a que el material de los paneles instalados en estos elementos, por diseño no soportaba la

temperatura de los

gases en la zona donde se encuentra ubicado.

Durante la operación de las unidades se han presentado una serie de fallas en equipos principales y auxiliares que han impactado la disponibilidad, de los valores obtenidos se obtiene la grafica 1.12, la cual nos muestra en que proporción han afectado cada equipo o sistema.

Figura 1.12 Gráfica de Pareto de indisponibilidad de fallas en la Central 1998 – 2006 [5].

RH. EHC .PARED Y _SH. CRASGEN ELEA.ALIM.CAL AP Y _BP EQ. AUX.CENIZASIST ELES. CONDEROSION _ECO PGV E.H.

HR. EQ. 3090 2112 1098 1006 556 510 391 252 172 169 143 81 80 43 NUM 42 99 12 10 49 17 9 47 2 10 13 2 38 17 % 31.8 53.6 64.9 75.3 81.0 86.3 90.3 92.9 94.7 96.4 97.9 98.7 99.6 100.0 0 20 40 60 80 100 120 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 H R E Q . HR. EQ. NUM %

(39)

Como se observa que el número de fallas en los elementos del recalentador secundario han impactado en gran medida en todas las unidades.

Las salidas forzadas han sido por causa de rotura de tubos en los elementos de los generadores de vapor (recalentador, sobrecalentador, paredes del hogar) sobresaliendo en número en el Recalentador (RH). Lo anterior refleja un gran impacto económico por la indisponibilidad de las Unidades, de aquí la importancia que se tiene en analizar las condiciones operativas a que esta expuesto el material de la zona afectada.

En el anexo 1 se presenta la estadística de fallas de los elementos del generador de vapor de cada una de las unidades.

1.6 PLANTEAMIENTO DE SOLUCIÓN.

Se realizará un estudio térmico del recalentador secundario (RH2), y con el desarrollo de una metodología de cálculo térmico del hogar en el generador de vapor, se determinará la temperatura de los gases en la salida del hogar para obtener el valor de la temperatura del metal expuesto a la zona radiante, se realizará el análisis de régimen hidráulico de los elementos en estudio con la finalidad de determinar como afecta la distribución de flujos del fluido de vapor a través de los elementos del recalentador secundario.

Con el resultado obtenido se determinará la desviación existente entre la temperatura máxima recomendable por el fabricante para el material del tubo y la temperatura calculada lo que permitirá analizar los resultados y realizar recomendaciones para tomar acciones oportunas con la finalidad de alargar la vida útil de los tubos.

1.7 APORTACIÓN O BENEFICIOS DEL PROYECTO.

Como beneficios inmediatos se tiene obtener una operación óptima del generador de vapor y ayudar a alargar la vida útil de los elementos del recalentador secundario disminuyendo las falla del material de los tubos por sobrecalentamiento prolongado, lo cual repercutirá en mayor disponibilidad de generación, y un ahorro considerable de combustible, agua y auxiliares eléctricos que se utilizan durante los paros y arranques de la unidad antes y posterior a la reparación de los tubos dañados.

(40)

20

CAPÍTULO 2

METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO TÉRMICO

DEL HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR Y

PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO

TÉRMICO DE RECALENTADOR

En este capítulo se presenta una metodología para el cálculo térmico del hogar “corto” y del hogar “grande”, que incluye volumen ocupado por paneles de SH2 obteniéndose la temperatura de los gases en salida del hogar “corte” y en entrada de sobrecalentador SH3, se presenta la metodología para el cálculo de la temperatura de los gases en entrada y salida del recalentador RH2-RH3.

(41)

CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA DE CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR Y DEL

RECALENTADOR.

La metodología de cálculo se desarrolla siguiendo la trayectoria del flujo de gases desde que salen del hogar, lugar donde alcanzan su temperatura más alta, hasta que abandonan el recalentador secundario y terciario.

2.1 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR.

M B u

Bo

θ

=

⋅

%

+

" " hogar hogar a

T

=

θ

×

)

v

(43)

2.1.1.1 Determinación de valor del volumen relativo

r

_v .

Se calcula [6] como el volumen relativo de los gases producto de la combustión de 1 kg de combustible a condiciones de referencia y grado de recirculación de gases (r). El valor se obtiene con la ecuación (2.4):

(

)

2 2 0

1

gas v N RO

V

r

V

⋅ +

=

+

( )

2.4

Haciendo uso de [8], se obtiene los volúmenes de gases de combustión (ver anexos).

2.1.1.2 Determinación de la altura relativa de quemadores ( x_{q u e m} ). Es la relación que existe entre la posición en que están instalados los quemadores

quem

l

y la altura total del hogar

l

hogar, lo anterior se obtiene con la ecuación (2.5):

quem quem hogar

l

x

l

=

( )

2.5

2.1.1.3 Determinación de la altura promedio de quemadores (l_{q u e m} )

La ecuación para determinación de l_{q u e m} incluye el número de quemadores por

elevación

n

_n, la altura de cada nivel de quemadores

l

n tomando de referencia el

fondo del hogar y el consumo de combustible

B

n de cada quemador [6]. Se

obtiene con la ecuación (2.6):

1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 1 1 2 2 3 3 4 4

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

q u e m

n

l

B

n

l

B

n

l

B

n

l

B

l

n

B

n

B

n

B

n

B

⋅ ⋅

+

⋅ ⋅

+

⋅ ⋅

+

⋅ ⋅

=

⋅

+

⋅

+

⋅

+

⋅

Nota: Se considera que el gasto de combustible

B

n es igual y uniforme

para todos los niveles de quemadores.

(44)

24

2.1.2 Determinación del consumo de combustible (

B

_comb).

Para la determinación del consumo de combustible se requiere conocer el calor

absorbido por el medio de trabajo en el generador de vapor (

Q

gv ), el calor

disponible en la cámara de la combustión (

Q

disp ) y la eficiencia térmica del

generador de vapor (ET). El consumo de combustible se calcula usando la ecuación (2.7) [9]: gv comb disp

Q

B

Q

ET

=

⋅

( )

2.7

x[9]. Lo anterior se aplica en la ecuación

(2.8):

" ' '

(

)

(

)

(

)

gv vI vI aa vII vII vII purga aa

Q

=

G

⋅

h

−

h

+

G

⋅

h

−

h

+

G

⋅

h

−

h

( )

2.8

2.1.4 Determinación del calor disponible en la cámara de la combustión del generador de vapor (

Q

disp )

El calor disponible en la cámara de combustión [9] se define como la energía que entra en el hogar con el combustible (carbón) y aire. Este calor está definido por la suma de la energía química del combustible

PCI

(Poder Calorífico Inferior), la energía física del combustible (temperatura que se adiciona al combustible), y la energía física del aire calentado por una fuente externa. Se determina con la ecuación (2.9):

disp comb aire

(45)

2.1.5 Determinación del poder calorífico inferior (

PCI

).

El valor del poder calorífico inferior del combustible se determina a través de la ecuación (2.10), considerando la composición química del combustible (carbón) en por ciento de masa [6]:

338 1256

109 (

)

25 (9

)

PCI

=

⋅ +

C

⋅ −

H

⋅

O

−

S

−

⋅ ⋅ −

H

W

Del Anexo 4 de parámetros operativos, se obtiene el análisis elemental de la composición química del combustible (en por ciento de masa).

2.1.6 Determinación del calor suministrado al combustible (

Q

_comb)

El calor absorbido por el combustible Q_comb , está determinado por el calor

específico del combustible

C

_comb y por la temperatura del combustible antes de

entrar al hogar [6], se determina a través de la ecuación (2.11):

comb comb comb

Q

=

C

⋅

t

(

2.11

)

2.1.6.1 Determinación del calor absorbido por el aire calentado por una fuente externa (

Q

_{aire ext}_.. )

El calor absorbido por el aire (

Q

_{aire ext}_. ) está determinado por el coeficiente del

exceso de aire en el hogar

α

, por la entalpía del aire en la salida del serpentín

“aire – vapor” (

I

_aire) y por la entalpía del aire en la entrada del serpentín “aire – vapor”

I

aire frio. [6] y se calcula a través de la ecuación (2.12):

.

(

.

)

aire ext aire aire frio

Q

= ⋅

α

I

−

I

(

2.12

)

El coeficiente de exceso de aire es la suma del coeficiente de exceso de aire en hogar α y la diferencia en coeficientes de exceso de aire que existe entre la entrada y la salida del precalentador de aire.

La entalpía del aire a la entrada y la salida del serpentín se obtiene haciendo uso las tablas de propiedades del aire tabla anexo 2 a las temperaturas de la entrada y la salida obtenidas de los parámetros operativos tabla Anexo 3.