Generación de Potencia

Punto 2: generadores de vapor

Clasificación de los generadores de vapor

• Pirotubulares• Acuotubulares

Generadores de vapor pirotubulares

La llama y los gases calientes de la combustión fluyen dentro de los tubos. El agua rodea los tubos.

Producen vapor saturado únicamente.Usos:• Calentamiento en procesos industriales• Calefacción de ambientes

Pirotubulares, cont.

Límites de presión y temperatura:• Presiones máximas: hasta 350 psig• Potencias máximas: hasta 1500 bhp

Funcionamiento de una caldera pirotubular

Caldera pirotubular de dos pasos

Caldera pirotubular de tres pasos

Caldera pirotubular quemando carbón mineral

Componentes de una caldera pirotubular

Caldera pirotubular mostrando el hogar y los tubos de fuego (vista frontal)

Vista trasera

Herramienta de expansión de tubos

Sistema de vapor saturado

Desaereador

Separador de vapor

Recuperador de calor

Bomba de inyección de químicos

Suavizadores de zeolita

Economizador

Precalentador de aire

Sonda de oxígeno

Enfriador del toma muestras

Controlador de nivel

Quemador de aceite combustible

Tanque del agua de alimentación

Válvulas de vapor

Indicador de nivel

Manómetro

Generadores de vapor acuotubulares

En los generadores de vapor acuotubulares, el agua está dentro de los tubos y los gases calientes de la combustión afuera de los tubos.

Los generadores de vapor acuotubulares pueden ser de:

• Circulación natural o• Circulación forzada

Circulación natural

El movimiento del agua dentro de los tubos se realiza por diferencia de densidades entre el agua líquida y una mezcla de agua líquida con vapor. Véase la figura siguiente.

Circulación natural, cont.

Circulación natural, cont.

El movimiento se origina por la diferencia de presión, que se puede calcular con la ecuación:

donde

Circulación natural, cont.

Circulación forzada

El movimiento del agua se produce por medio de una bomba de circulación. Características:

• Circulación forzada• Tubos pequeños• No usan tambores (o bien solo uno)• Combustión a presión• Tamaños y pesos muy reducidos

Circulación forzada

Calderas de circulación forzada:• La Mont• Loeffler• Benson• Schmidt-Hartmann• Velox• Ramsin

Componentes de un generador de vapor

Componentes de un generador de vapor

• Suministro de combustible (bombas, etc.)• Ventilador de tiro forzado• Quemador del combustible• Hogar de la caldera (radiación)• Tubos de la caldera (convección)• Tambores superior e inferior• Sobrecalentador de vapor

Componentes de un generador de vapor, cont.

• Recalentador de vapor • Economizador• Pre calentador de aire• Bomba de alimentación• Filtro de gases• Ventilador de tiro inducido• Chimenea

Caldera acuotubular con tambor longitudinal

Caldera acuotubular con tambor cruzado

Caldera acuotubular con tubos doblados (Stirling)

Caldera acuotubular marina

Caldera acuotubular vertical

Transferencia de calor por radiación en el hogar de la caldera

Transferencia de calor por convección en los tubos de la caldera

Caldera de cama fluida quemando biomasa

Montaje de una caldera acuotubular

Construcción de las paredes del hogar de la caldera

Las superficies interiores de las paredes del hogar están cubiertas con tubos, donde se forma vapor por el calor transmitido por radiación.

Las paredes están formadas por:• Ladrillo refractario• Aislante térmico• Cubierta de lámina de acero

Construcción de las paredes del hogar de la caldera

Montaje de los tubos del hogar

Tambor superior de un generador de vapor acuotubular

Sobre calentador de vapor

El sobre calentador puede ser:• Convectivo• Radiativo

Sobre calentador, caldera de 500 MW, carbón mineral

Reductor catalítico selectivo (SCR)

Sirve para reducir los óxidos de nitrógeno.

4NO + 4NH3 + 3O2 → 4N2 + 6H2O

2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O

NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O

Variación de temperaturas con el flujo de vapor

Perfiles de temperaturas

El sobre calentador es la superficie que está sujeta a las condiciones más severas de trabajo.

Distribución de temperatura en un sobre calentador

Falla en tubo de sobre calentador

Economizador

Tiene como objetivo calentar el agua de alimentación a la caldera antes que llegue al tambor superior, aprovechando la temperatura que aún tienen los gases de combustión.

Los gases de combustión entran al economizador a temperaturas entre 700 °F y 1000 °F.

Economizador, cont.

La temperatura de entrada del agua al economizador debe ser mayor que 175 °F, para evitar que los gases alcancen su punto de rocío.

La eficiencia de la caldera aumenta, aproximadamente, 1 % por cada 10 °F de aumento en la temperatura del agua.

Tubos de economizador con aletas

Economizador para caldera supercrítica, 1300 MW

Pre calentador de aire

El objetivo es calentar el aire de combustión antes que este llegue a los quemadores de la caldera, mediante la energía que aún tienen los gases de combustión.

Los pre calentadores pueden ser:• Recuperativos• Regenerativos

Pre calentador de aire, cont.

Los gases de combustión entran al pre calentador a temperaturas entre 600 °F y 800 F°. Son enfriados a temperaturas entre 275 °F y 350 °F. No son enfriados más de esto para evitar la condensación del vapor de agua en los gases de combustión.

La eficiencia de la caldera aumenta 1 % por cada 35 °F a 40 °F de disminución en la temperatura de los gases de combustión.

Efecto del pre calentador de aire en la reducción de la razón de calor de la planta

Pre calentador de aire recuperativo

Pre calentador de aire regenerativo (tipo Ljungström)

Canastas de pre calentador de aire Ljungström

Matrices de acero usadas en el precalentador Ljungström

Matrices corroidas

Sellos del pre calentador Ljungström

Pre calentador de aire recuperativo

Sistema de combustible líquido

Bombas de desplazamiento positivo

Bombas de tornillo

Bomba de tornillo

Bomba de tornillo

Bomba de tornillo

Bomba de engranes

Bomba de engranes

Bomba de engranes

Quemadores

Quemadores

Plataforma del fogonero

Combustión en una parrilla estacionaria

Alimentación por arriba

Alimentación por arriba

Parrilla deslizante

Parrilla deslizante

Parrilla deslizante

Alimentación por abajo

Alimentación por abajo

Alimentación por abajo

Bomba del agua de alimentación

Bomba de alimentación

Bomba centrífuga multi etapas de alimentación

Sello mecánico de bombas

Sellos mecánicos

Sello por medio de estopas

Ventilador de tiro forzado

Ventilador de tiro inducido

Sopladores de hollín

Soplador retráctil de hollín

Soplador retráctil de hollín

Filtro de bolsas Limpieza con aire comprimido

Filtro de bolsasLimpieza con sacudidor

Bolsas para filtro

Precipitadero electrostático

Precipitadero electrostático

Válvulas de alivio

Apertura y cierre de la válvula de alivio

Indicador de nivel de agua

Construcción del indicador de nivel

Juego de espejos del indicador de nivel

Indicador remoto del nivel de agua

Recuperador del calor de purga

Recuperador del calor de purga

Recuperador del calor de purga

Recuperador del calor de purga

Medidor de orificio del agua de purga

Cambio de tubos en una caldera acuotubular

Prueba de tinte penetrante en el tambor superior

Soldadura TIG de tubos al tambor inferior

Soldadura de aletas en el hogar

Limpieza de tubos desde el interior del tambor superior

Inspección del espesor de la pared de los tubos

Ciclo combinado

Diseño del hogar de la caldera

El volumen del hogar depende de:• El tipo de combustible usado• La capacidad de la caldera (producción

máxima de vapor, intervalo de producción, presiones, temperaturas)

• La recuperación de calor• El método de quemado del combustible• El exceso de aire

Diseño del hogar de la caldera

• La longitud de la llama• La temperatura de fusión de la ceniza• El área de la parrilla• La construcción de las paredes del hogar

Diseño del hogar de la caldera

donde

Diseño del hogar de la caldera

Volumen del hogar:

donde

Diseño del hogar de la caldera

Tasa de liberación de calor.

Combustible Método de quemado

HRv, BTU/h ft3

Carbón mineral Parrilla estacionaria 40,000 – 50,000

Carbón mineral Alimentador 15,000 – 50,000

Carbón mineral Pulverización 15,000 – 45,000

Aceite o gas Quemador 15,000 – 50,000

Diseño del hogar de la caldera

Tasa de liberación de calor en función del área de transferencia de calor:

donde

Capacidad de las calderas

• Calderas pirotubulares.

Capacidad de las calderas, cont.

• Calderas acuotubulares. La capacidad se especifica en

o Lb/h de vaporoPresión y temperatura del vaporoPresión y temperatura del agua de alimentación

o bien o Transferencia de calor, en millones de BTU/h

Chimenea

Chimenea, cont.

Si se usa la ecuación del gas ideal para calcular las densidades,

Chimenea, cont.

Controles del generador de vapor acuotubular

• Control del agua de alimentación. Los objetivos son:o Responder a las demandas de vaporoMantener un nivel constante del agua en el

tambor superior

Utiliza tres señales:o Señal del nivel de aguao Señal del flujo de aguao Señal del flujo de vapor

Controles del generador de vapor acuotubular, cont.

Controles del generador de vapor acuotubular, cont

Controles del generador de vapor acuotubular, cont.

Válvula de control de alimentación.

Controles del generador de vapor acuotubular, cont.

• Control de presión. El objetivo es mantener una presión constante en la caldera.

Controles del generador de vapor acuotubular, cont.

• Control de temperatura del vapor sobrecalentado. El objetivo es mantener la temperatura en el valor predeterminado.

Existen vario métodos de control de temperatura:– Desvío de gases– Quemadores inclinables– Quemadores auxiliares– Atemperador – Condensador – Recirculación de gases– Horno gemelo

Desvío de gases

Quemadores inclinables

Quemadores auxiliares

Atemperador

Atemperador

Condensador

Recirculación de gases

Horno gemelo

FIN