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¿Qué es un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG)?
Un Generador de Vapor de Recuperación de Calor, comúnmente conocido como HRSG, es un equipo especializado diseñado para recuperar calor de gases calientes. Estos gases calientes a menudo provienen de una turbina de gas como gases de escape (gases de combustión), o de un proceso industrial que genera una gran cantidad de calor. El calor recuperado se utiliza para hervir agua y producir vapor, que puede ser utilizado para generación de energía u otros procesos industriales.
Generadores de Vapor de Recuperación de Calor
¿Por qué necesitamos generadores de vapor de recuperación de calor?
Eficiencia y Sostenibilidad
Una de las principales razones para utilizar un HRSG es mejorar la eficiencia de un sistema. Por ejemplo, al recuperar el calor residual de un proceso de combustión, reducimos la cantidad de calor desperdiciado, aumentando así la eficiencia general del sistema. Un aumento en la eficiencia de la planta se traduce en costos operativos reducidos y un menor impacto ambiental.
Ahorro de Costos
Aunque la inversión inicial en un HRSG puede ser significativa, las mejoras en eficiencia a largo plazo hacen que la inversión sea rentable. Durante la vida útil del HRSG (potencialmente >20 años), se amortiza varias veces. La alta fiabilidad de un HRSG también asegura un tiempo de operación elevado, garantizando un buen retorno de la inversión.
Flexibilidad
Los HRSG pueden integrarse en diversos procesos industriales, ofreciendo flexibilidad en términos de aplicación. Ya sea para generación de energía, calefacción distrital, u otras aplicaciones industriales, un HRSG puede aumentar considerablemente las eficiencias del sistema al recuperar calor que de otro modo se perdería.
Aplicaciones del HRSG
Un HRSG se instala típicamente aguas abajo de una turbina de gas (turbina de combustión) u otro proceso de combustión dentro de una planta de energía. Por ejemplo, una planta de energía de ciclo combinado (CCPP) utiliza una turbina de gas y un HRSG instalados en serie. Dentro de una CCPP, una turbina de gas se utiliza para generar electricidad, mientras que sus gases de escape se canalizan al HRSG, que se utiliza para generar vapor. Con esta configuración, las turbinas de gas suelen funcionar con gas natural, aunque es posible usar muchos otros tipos de combustible.
El vapor del HRSG se utiliza luego para impulsar una turbina de vapor, que también genera electricidad. En entornos industriales, los HRSG también pueden encontrarse donde haya necesidad de recuperar calor residual para la producción de vapor, como en refinerías o plantas químicas.
Partes de la Planta de Energía de Ciclo Combinado
¿Cuáles son las partes principales de un HRSG?
A pesar del tamaño de la mayoría de los HRSG, tienen relativamente pocas partes principales y sistemas. Un HRSG típico tendrá un sistema de vapor de alta presión, presión intermedia y baja presión. Cada sistema tiene un tambor de vapor asociado, economizador, evaporador y sobrecalentador. El flujo a través del HRSG es desde el economizador, al tambor de vapor, al evaporador, y luego al sobrecalentador.
Este flujo ocurre primero en el sistema de vapor de baja presión (LP), luego en el de presión intermedia (IP), y finalmente en el de alta presión (HP). Cada sistema de vapor también tiene una turbina de vapor correspondiente, es decir, turbina de vapor de alta presión, turbina de vapor de presión intermedia y turbina de vapor de baja presión.
El economizador, el evaporador y el sobrecalentador están construidos con tubos para maximizar la superficie de contacto con los gases de escape; esto significa que también tienen una gran capacidad de transferencia de calor. Es mejor pensar en estas partes principales como intercambiadores de calor, ya que esta es su función principal. Cada una de estas tres partes actúa como un intercambiador de calor para producir vapor (evaporador y sobrecalentador), o una mezcla de agua/vapor (economizador).
Partes del Generador de Vapor de Recuperación de Calor
Los cuatro componentes principales de un HRSG se enumeran a continuación.
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Economizador – el agua de alimentación se introduce primero en la base del economizador. El economizador precalienta el agua de alimentación. El agua de la caldera se descarga del economizador al tambor de vapor del sistema asociado. Precalentar el agua de alimentación aumenta la eficiencia del sistema al asegurar que el agua que entra al tambor de vapor ya esté caliente (sin riesgo de choque térmico).
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Tambor de Vapor – el agua de la caldera del economizador se descarga a su respectivo tambor de vapor. El tambor de vapor separa el vapor y el agua. El vapor sube a la parte superior del tambor de vapor y se envía al sobrecalentador. El agua se descarga desde el fondo del tambor de vapor al evaporador. El agua de la caldera se recircula dentro del evaporador hasta que se convierte en vapor.
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Evaporador – donde tiene lugar la producción de vapor. El agua fluye a través de tubos que son calentados por gases de escape calientes. El agua absorbe calor de los tubos a medida que viaja a través del evaporador, y esto hace que cambie de fase/estado a vapor. No toda el agua cambia de fase a vapor, por lo tanto, es una mezcla de vapor/agua (vapor húmedo) la que se descarga del evaporador al tambor de vapor. El agua que no cambió de estado a vapor, se recircula nuevamente a través del evaporador.
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Sobrecalentador – toma el vapor producido en el evaporador y aumenta su temperatura (y energía) aún más, asegurando que esté en la condición óptima para la turbina de vapor o el consumidor industrial. Los sobrecalentadores añaden calor sensible al vapor, no añaden calor latente porque no hay cambio de fase en esta etapa (no hay cambio de agua a vapor).
¿Cómo funciona un generador de vapor de recuperación de calor?
Para entender cómo funciona un HRSG, es mejor estudiar el diagrama a continuación.
Ruta de Flujo del HRSG
Observe que el agua entra al HRSG en la parte más fría (más alejada de la fuente de calor) y se calienta gradualmente a medida que avanza hacia la fuente de calor. Observe también que hay un patrón de flujo estándar, que comienza con el economizador, luego el tambor de vapor, evaporador, tambor de vapor nuevamente, sobrecalentador, y finalmente a las turbinas de vapor. Si el HRSG tiene un sistema de vapor de HP, IP y LP, la ruta de flujo es la misma, ya que cada sistema tiene su propio economizador, evaporador y sobrecalentador.
El principio de funcionamiento del HRSG se resume a continuación.
1. Recuperación de Calor – los gases de escape de una turbina de gas u otra fuente de calor, típicamente a temperaturas de 900°F a 1,100°F (482°C a 593°C), se dirigen al HRSG.
2. Precalentamiento en el Economizador – el agua de alimentación se precalienta en el economizador. Este proceso eleva la temperatura del agua cerca de su punto de ebullición, preparándola para el evaporador.
3. Tambor de Vapor – el agua del economizador se entrega al tambor de vapor, a menudo también pasando por un desaireador. El vapor saturado se descarga de los tambores de vapor.
4. Generación de Vapor en el Evaporador – el agua precalentada fluye a través de los tubos del evaporador y es calentada por los gases de escape calientes. El intercambio de calor resulta en que el agua hierva y cambie de estado a vapor. La temperatura en el evaporador puede variar de 250°F a 600°F (121°C a 315°C), dependiendo de la presión del sistema.
5. Sobrecalentamiento – el vapor generado en el evaporador se dirige al sobrecalentador. El vapor dentro del sobrecalentador está expuesto a gases de escape más calientes debido a que está más cerca de la fuente de calor. El sobrecalentador puede elevar la temperatura del vapor hasta 1,022°F (550°C), que es lo que requiere una turbina de alta presión típica de una central eléctrica. Las turbinas de vapor requieren vapor sobrecalentado debido a su alto contenido energético y reducido contenido de humedad (el vapor sobrecalentado seco es lo que se entrega a una turbina de vapor).
La cantidad de energía que contiene el vapor corresponde a cuánta energía puede extraer la turbina de vapor, y en consecuencia cuánta energía eléctrica puede producir su generador.
6. Generación de Energía en la Turbina de Vapor – el vapor sobrecalentado seco se descarga del HRSG a una o más turbinas de vapor. La turbina de vapor convierte la energía térmica del vapor en energía mecánica y la pasa a un generador (ambos están instalados en un eje común).
El generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica (electricidad).
7. Descarga de Gases de Escape – después de que los gases de escape han transferido la mayor parte de su energía térmica a los sistemas de agua y vapor, se descargan a la atmósfera a una temperatura de entre 250°F a 300°F (121°C a 149°C). Es importante que el flujo de gas caliente no tenga una temperatura excesivamente baja porque de lo contrario puede ocurrir condensación dentro de la chimenea y se creará un ambiente corrosivo.
Bueno saber – una 'chimenea' es similar a un 'conducto' aunque 'chimenea' es el término más comúnmente utilizado en ingeniería.
HRSGs de Presión Múltiple y de Presión Única
Si un HRSG opera a un nivel de presión único, tendrá un solo tambor de vapor, una sola sección de economizador, una sola sección de evaporador y una sola sección de sobrecalentador. Si un HRSG opera a niveles de presión múltiples, es decir, niveles de presión LP, IP y HP, también tendrá múltiples tambores de vapor, economizadores, evaporadores y sobrecalentadores. Un sistema HRSG que opera a un nivel de presión único se denomina HRSG de presión única. Un sistema HRSG que opera a niveles de presión múltiples se denomina HRSG de presión múltiple. Las plantas de energía utilizan HRSGs de presión múltiple, mientras que los HRSGs de presión única son más propensos a ser utilizados para otras aplicaciones industriales.
HRSGs Verticales y HRSGs Horizontales
Es posible clasificar los generadores de vapor de recuperación de calor según su orientación:
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HRSG Tipo Vertical - los gases de escape fluyen verticalmente sobre tubos horizontales.
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HRSG Tipo Horizontal - los gases de escape fluyen horizontalmente sobre tubos verticales.