Partes de Calderas Acuotubulares Explicadas
Una caldera acuotubular transforma agua en vapor calentándola mediante la energía liberada de la combustión de combustibles; la excepción a esto es un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) que convierte agua en vapor utilizando calor recuperado de gases de escape. Las calderas acuotubulares se emplean en muchas aplicaciones industriales, pero este artículo se centra en las calderas acuotubulares utilizadas en centrales eléctricas.
Nota importante – para facilitar la comprensión y familiarización, este artículo utiliza las diversas formas de acuotubular, acuotubular, y acuotubular, a lo largo; todas las expresiones significan lo mismo.
Nota importante – por favor vea nuestro artículo principal Calderas Acuotubulares Explicadas si necesita una visión general sobre cómo funcionan las calderas acuotubulares, sus diseños y operación.
Caldera Acuotubular de Central Eléctrica
Diseño de Caldera Acuotubular
Una gran caldera de planta de energía utiliza miles de componentes para producir vapor de manera eficiente y confiable. Las partes principales de una caldera acuotubular se presentan en este artículo, ¡pero hay muchas más! Use el diagrama a continuación como referencia mientras avanza a través de este artículo.
Partes y Ubicaciones de la Caldera Acuotubular
Componentes y Ubicaciones de la Caldera Acuotubular
Tambor de Vapor
Un tambor de vapor es un recipiente cilíndrico que contiene agua y distribuye vapor; está ubicado en la parte superior de la caldera. El tambor de vapor recoge el vapor generado por los tubos elevadores, que rodean el horno. Los tambores de vapor contienen componentes internos como separadores ciclónicos y depuradores para asegurar que el vapor descargado esté seco y libre de gotas de agua, evitando así el arrastre de humedad hacia los sobrecalentadores y turbinas de vapor. Se dosifican productos químicos en el tambor de vapor porque el ambiente dentro del tambor es turbulento, lo que ayuda a mezclar los productos químicos en el sistema.
Tambor de Vapor de Caldera Acuotubular
Tambor de Lodo
Los tambores de lodo están posicionados en la parte inferior de una caldera acuotubular; recogen sedimentos e impurezas del sistema de agua de la caldera. En algunos diseños de calderas, especialmente en diseños más modernos o compactos, puede que no haya un tambor de lodo dedicado. En su lugar, los colectores de agua instalados en la parte inferior de la caldera pueden realizar la misma función (estos colectores sirven como puntos de recolección de impurezas, actuando efectivamente como tambores de lodo).
Ubicaciones de los Tambores de Vapor y Lodo de la Caldera Acuotubular
Tubos de Agua
Los tubos de agua contienen agua de caldera antes de que cambie de estado/fase a vapor. El nombre de un tubo de agua cambia dependiendo de su ubicación dentro de la caldera, por ejemplo:
- Tubos descendentes – llevan agua fría desde el tambor de vapor hacia la parte inferior de la caldera.
- Tubos elevadores – llevan agua caliente y vapor desde la parte inferior de la caldera al tambor de vapor.
Colectores
Los colectores son cilindros grandes con múltiples conexiones. Los colectores recogen el fluido de trabajo para un grupo de tubos y generalmente se etiquetan como colectores superiores o colectores inferiores. Si un colector está instalado en una posición alta dentro de la caldera, recoge la mezcla de agua/vapor de sus tubos elevadores asociados, luego la canaliza al tambor de vapor a través de múltiples tuberías; se conoce como colector de vapor o colector superior. Si un colector está instalado en una posición baja en la caldera, distribuye agua a sus tuberías conectadas; se conoce como colector de agua o colector inferior.
- Colector de vapor – recoge vapor de los tubos elevadores y lo descarga al tambor de vapor.
- Colector de agua – distribuye agua a la base de los tubos elevadores.
Quemador
Las entradas principales de una caldera son:
- Combustible – sirve como fuente de energía térmica.
- Aire – proporciona el oxígeno necesario para la combustión.
- Agua – necesaria para generar vapor.
Entradas de Caldera de Carbón
El quemador es responsable de mezclar combustible y aire y luego encender la mezcla para crear la llama que calienta los tubos de agua; un quemador asegura una combustión eficiente y una llama estable. Puede haber múltiples quemadores en una sola caldera y estos pueden estar dispuestos en varias configuraciones:
- Pared Frontal – los quemadores están dispuestos en la pared frontal de la caldera.
- Paredes Opuestas – los quemadores están colocados en paredes opuestas, enfrentándose entre sí.
- Esquinas – los quemadores están posicionados en las esquinas del horno.
Quemadores tangenciales y quemadores de pared son los dos tipos más comunes de quemadores utilizados en calderas acuotubulares.
Horno
El núcleo de una caldera acuotubular es su horno, donde ocurre la combustión del combustible, generando calor. Alrededor del horno hay tubos llenos de agua, que forman las ‘paredes de agua’ de la caldera. Los tubos de la caldera absorben el calor generado por la combustión, convirtiendo el agua dentro de los tubos en vapor; este vapor puede luego ser utilizado para impulsar turbinas de vapor o proporcionar calor para varios procesos industriales.
Internos de la Caldera Acuotubular
Los hornos están revestidos con material refractario para retener el calor generado y proteger la estructura de la caldera.
Nota importante – el término ‘refractario’ a menudo se confunde con ‘aislamiento’, lo cual no es estrictamente correcto. El refractario se utiliza para aplicaciones de alta temperatura, puede estar directamente expuesto a una llama, y generalmente se fabrica a partir de cerámicas o un material similar a un ladrillo. El aislamiento se utiliza para aplicaciones de temperatura más baja, no está directamente expuesto a una llama, y generalmente se fabrica a partir de fibra de vidrio o lana mineral.
Nota importante – las paredes de agua se forman por un conjunto de tubos elevadores que están alineados para formar ‘paredes’.
Estructura de la Pared de Agua de la Caldera
Economizador
El economizador precalienta el agua de alimentación de la caldera antes de que entre en el tambor de vapor. Debido a su ubicación dentro de la caldera, un economizador recupera el calor residual de los gases de escape, mejorando así la eficiencia de la caldera.
Sobrecalentador
Los sobrecalentadores están diseñados para elevar la temperatura del vapor por encima de su temperatura de saturación. Los sobrecalentadores calientan el vapor descargado del tambor de vapor, aumentando así su temperatura y, en consecuencia, la cantidad de energía térmica que contiene el vapor. Por lo general, hay varios sobrecalentadores dentro de una sola caldera acuotubular:
- Sobrecalentador primario – la primera etapa de sobrecalentamiento, que aumenta la temperatura del vapor y reduce el contenido de agua líquida del vapor.
- Sobrecalentador secundario – calienta aún más el vapor para alcanzar la temperatura deseada.
La transferencia de calor dentro de la caldera ocurre a través de tres métodos principales:
- Radiación – transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas; este es un modo significativo de transferencia de calor dentro del horno porque la energía radiante de la combustión calienta los tubos de agua. Los sobrecalentadores que absorben calor mediante radiación se conocen como sobrecalentadores radiantes.
- Convección – ocurre dentro de un sistema a través del movimiento masivo de moléculas de líquido o gas. En las calderas, la circulación natural de agua a través de una caldera es un ejemplo de convección. Los tubos evaporadores (donde el agua se evapora a vapor) se conocen como paquetes de tubos convectivos. Los sobrecalentadores que absorben calor mediante convección se conocen como sobrecalentadores de convección.
- Conducción – transferencia de calor a través de un material o materiales. El calor que pasa a los tubos metálicos de una caldera, luego al agua dentro de los tubos, es un ejemplo de conducción.
Transferencia de Calor Dentro de una Caldera Acuotubular
Los sobrecalentadores pueden clasificarse según cómo se transfiere el calor a ellos, es decir, mediante radiación, convección o conducción. El tipo de transferencia de calor depende de la ubicación del sobrecalentador dentro de la caldera. El calor radiado solo puede transferirse por línea de visión, desde la fuente de calor al absorbedor de calor, por lo que los sobrecalentadores radiantes deben tener línea de visión a la llama de la caldera, de lo contrario no pueden ser sobrecalentadores radiantes. Los sobrecalentadores pueden clasificarse como:
- Sobrecalentadores Radiantes – directamente expuestos a la llama del horno por línea de visión; absorben la mayor parte de su calor a través de la radiación.
- Sobrecalentadores de Convección – ubicados lejos de la llama del horno sin línea de visión; absorben calor a través de los gases de combustión calientes que fluyen a su alrededor.
Recalentadores
Los recalentadores se utilizan en turbinas de múltiples etapas para recalentar vapor después de que ha pasado a través de una turbina de alta presión. Los recalentadores son similares en diseño y apariencia a los sobrecalentadores. Cuando hay múltiples recalentadores, se instalan en serie. El vapor que entra al sistema de recalentamiento se llama vapor de recalentamiento frío y el vapor que sale del recalentador se llama vapor de recalentamiento caliente.
- Recalentador primario – recalienta vapor para etapas de turbina de presión intermedia.
- Recalentador secundario – proporciona recalentamiento adicional para etapas de turbina de presión intermedia.
Recalentadores de Caldera Acuotubular
Precalentador de Aire
Un precalentador de aire es un intercambiador de calor que precalienta el aire primario y secundario utilizando los gases de escape de la caldera; esto mejora la eficiencia de la combustión y reduce el consumo de combustible.
Bomba de Agua de Alimentación
Las bombas de agua de alimentación suministran agua de alimentación desde el desaireador a la caldera. Las bombas de agua de alimentación mantienen el nivel de agua en el tambor de vapor y aseguran un suministro continuo de agua para la generación de vapor. Siempre habrá más de una bomba de agua de alimentación debido a su criticidad (la falla de las bombas de agua de alimentación puede causar daños severos a la caldera y al área circundante), y se instalarán a una elevación más baja que el desaireador para reducir el riesgo de cavitación. Las bombas de agua de alimentación de caldera generalmente son impulsadas eléctricamente a través de un motor de inducción, o, utilizando vapor a través de una turbina de vapor. La circulación de agua dentro de una caldera tiene dos propósitos principales:
- Suministro de Agua – asegurar un suministro constante de agua que pueda convertirse en vapor.
- Distribución de Calor – prevenir el sobrecalentamiento de los tubos de la caldera distribuyendo el calor de manera uniforme.
Las bombas de agua de alimentación generalmente están clasificadas como 50% o 100%, dependiendo de cuánto de la carga total de la caldera pueden atender. Por ejemplo, una bomba de agua de alimentación del 100% puede atender toda la demanda de agua de la caldera cuando está operando a carga máxima. El agua para attemperadores (desupercalentadores) se alimenta desde las bombas de agua de alimentación. Las juntas de sellado de una turbina de vapor también se enfrían utilizando agua de alimentación de caldera.
Las bombas de agua de alimentación de caldera generalmente tienen un variador de frecuencia variable (VFD) que permite regular su frecuencia eléctrica, y en consecuencia su velocidad y volumen de descarga. Un caudal mínimo de una bomba de agua de alimentación de caldera se atiende utilizando una válvula de recirculación automática (ARV).
Bomba de Agua de Alimentación de Caldera (Bomba Centrífuga Multietapa)
Válvulas de Alivio de Seguridad (SRVs)
Las válvulas de alivio de seguridad (SRVs) previenen la sobrepresión en una caldera. Las válvulas de alivio de seguridad están diseñadas para liberar automáticamente vapor cuando la presión de vapor de una caldera excede un límite preestablecido, asegurando así que la caldera no esté sobrepresurizada. Las válvulas de alivio de seguridad de una caldera se clasifican como ‘no asistidas’ o ‘asistidas’. Una válvula no asistida se abrirá una vez que se alcance una cierta presión del sistema; es estrictamente una válvula operada mecánicamente que generalmente depende de uno o múltiples resortes. Una válvula asistida solo se abrirá si se alcanza una cierta presión del sistema y se aplica una fuerza externa adicional para ‘asistir’ a la válvula a abrirse. Por ejemplo:
- No asistida – la presión del sistema actuando contra el disco de la válvula de seguridad hace que el resorte de la válvula se comprima y la válvula se abra.
- Asistida – la presión del sistema actuando contra el disco de la válvula de seguridad hace que el resorte de la válvula se comprima, pero esto no hace que la válvula se abra hasta que se aplique una fuerza externa. La fuerza externa aplicada generalmente es a través de un sistema hidráulico o neumático, a menudo utilizando un émbolo, cilindro o diafragma.
Las SRVs generalmente se instalan en el tambor de vapor y en los colectores de sobrecalentador. A menudo hay dos SRVs instaladas en cada posición, proporcionando así 100% de redundancia en caso de que una válvula falle al operar como se espera.
Nota importante – la vibración excesiva de la válvula es causada cuando una válvula se abre y cierra rápidamente; este fenómeno se conoce como chattering. Las válvulas de tipo asistido evitan este problema moviendo la válvula directamente de la posición completamente cerrada a completamente abierta.
Válvula de Seguridad Cargada por Resorte (no asistida)
Indicadores de Nivel de Agua
Un indicador de nivel de agua muestra el nivel de agua dentro de un tambor de vapor de caldera. Los indicadores de nivel de agua pueden estar instalados localmente y ser vistos localmente, como con un vidrio de nivel de caldera, o, pueden estar instalados localmente y ser vistos remotamente, como con transmisores de nivel de presión que miden el nivel de agua localmente y lo transmiten en forma de una señal eléctrica de 4-20 mA a una ubicación remota, por ejemplo, una sala de control. El nivel de agua dentro de una caldera puede medirse directamente o indirectamente, dependiendo de qué instrumentación se utilice. A veces se instalará una luz detrás del vidrio de nivel de la caldera y una cámara de vigilancia apuntará al vidrio de nivel; esta solución permite a los operadores monitorear remotamente el nivel del indicador, convirtiéndolo en una alternativa rentable a la instrumentación electrónica.
IMPORTANTE: ¡Mantener el nivel de agua correcto dentro de una caldera es la tarea más crítica al operar cualquier caldera!
Vidrio de Nivel de Caldera Montado (Vidrio de Vista)
Válvula de Purga
La purga regular ayuda a mantener la calidad del agua y prevenir la acumulación de incrustaciones. Una válvula de purga inferior se utiliza para eliminar sedimentos e impurezas del tambor de lodo; este tipo de purga es intermitente (no constante).
Válvula de Purga Inferior de Caldera de Tubos de Fuego
Una válvula de purga de superficie se utiliza para eliminar impurezas de la superficie del agua dentro del tambor de vapor; este tipo de purga es continua.
Válvula de Purga de Superficie de Caldera de Tubos de Fuego
Sistemas de Control
Las calderas acuotubulares modernas están equipadas con sistemas de control avanzados que simultáneamente regulan el suministro de combustible, el flujo de aire, el nivel de agua y la presión de vapor. Las calderas acuotubulares grandes utilizan control de tres elementos para el control del nivel del tambor, pero las calderas más pequeñas no requieren sistemas tan avanzados (por ejemplo, el control de dos elementos o similar es adecuado). Un sistema de control de caldera realiza las siguientes tareas:
- Monitorea y controla todos los parámetros críticos, incluyendo el nivel del tambor, las temperaturas del vapor, la relación aire/combustible, basándose en los valores del proceso recibidos de los instrumentos montados en el campo.
- Activa alarmas por desviaciones del proceso.
- Inicia un paro en caso de una desviación crítica del proceso, como nivel de agua del tambor bajo/alto, temperatura del vapor alta o presión del vapor alta.
- Monitorea los auxiliares de la caldera para detectar problemas y realiza cambios automáticos, cuando sea necesario. Por ejemplo, poner en línea una bomba de reserva en caso de un paro de la bomba principal de agua de alimentación.
Control de Tres Elementos del Tambor de Caldera
Nota importante – el control de tres elementos incluye un cuarto elemento, pero a menudo no se muestra o considera al referirse al control de tres elementos. El cuarto elemento es la medición de presión del tambor de vapor. Es esencial conocer la presión del tambor de vapor porque es responsable de fenómenos como hinchazón y encogimiento, lo que hace que el nivel registrado en el tambor de vapor fluctúe considerablemente; esto hace que el nivel registrado sea poco confiable a menos que se tenga en cuenta la presión del tambor de vapor.
Válvulas de Control
Las válvulas de control regulan el flujo de agua de alimentación de la caldera al tambor de vapor. Para calderas acuotubulares grandes, a menudo habrá válvulas de agua de alimentación redundantes. Durante la operación rutinaria, las válvulas de control de agua de alimentación se accionan automáticamente para mantener el nivel de agua del tambor de vapor cerca del punto de ajuste deseado.
Instrumentación
Manómetros, indicadores, transmisores y sensores son instrumentos utilizados para el monitoreo de las diferentes variables de proceso de una caldera (presión, temperatura, flujo, etc.). Las calderas acuotubulares de centrales eléctricas utilizan muchos tipos diferentes de instrumentos para propósitos de visualización local y remota. Por ejemplo:
- Un manómetro se utiliza para la indicación de presión local.
- Un termómetro se utiliza para la indicación de temperatura local.
- Un transmisor de flujo puede utilizarse para la indicación de flujo local y remota.
- Un vidrio de nivel se utiliza para la indicación de nivel local.
- Un transmisor de nivel transmite un nivel medido en tiempo real al sistema de control para el monitoreo remoto.
Transmisor de Nivel de Presión Diferencial (DP) del Tambor de Vapor
Nota importante – si un sensor se considera crítico para la operación segura de una caldera, se instalará varias veces aunque esté midiendo la misma variable. Por ejemplo, el nivel de agua dentro del tambor de vapor de una caldera es muy importante y debe ser monitoreado constantemente, por lo que es práctica común instalar tres transmisores de nivel independientes en cada tambor de vapor, y todos miden el mismo nivel de agua. Si un sensor falla, se asume que los otros dos aún son confiables, y la caldera puede permanecer en servicio mientras se repara el sensor fallido; esta configuración se llama lógica de votación dos de tres (2oo3) y se emplea en todo el mundo de la ingeniería para sistemas críticos de seguridad. Por ejemplo, para iniciar un paro de caldera en una condición de nivel de agua alto del tambor, dos de tres transmisores de nivel deben estar en o por encima del punto de ajuste de paro durante un período de tiempo predefinido (generalmente unos pocos segundos).
Nota importante – la redundancia es un método para asegurar que todos los sistemas críticos de seguridad sean monitoreados efectivamente, pero también existe el método de ‘variedad’. El método de variedad se basa en la variedad de sensores utilizados para una medición dada, en lugar de su cantidad. Por ejemplo, el nivel del tambor de vapor de una caldera puede medirse utilizando sensores de conductividad, flotadores o transductores de presión diferencial; instalar los tres proporciona resultados de una variedad de sensores, lo que se considera más confiable que simplemente tres mediciones del mismo tipo de sensor.
Chimenea de Gases de Escape
La chimenea de gases de escape expulsa los gases de escape de la caldera a la atmósfera. Para algunas calderas, los gases de escape pueden ser expulsados sin ser tratados, pero esto no es cierto para calderas de combustibles fósiles, como aquellas que queman aceite, carbón o biocombustible; las calderas de residuos también requieren limpieza de gases de escape. El equipo estándar de control de contaminación incluye precipitadores electrostáticos, desulfurizadores de gases de combustión y/o filtros de bolsa.
Precipitador Electrostático
Soplador de Hollín
Los sopladores de hollín utilizan aire comprimido o vapor para limpiar el hollín de los tubos de la caldera, las superficies radiantes del horno, los economizadores y los calentadores de aire. Limpiar los internos de la caldera de hollín asegura que la eficiencia de transferencia de calor se mantenga (el hollín en los tubos actúa como un aislante térmico y previene la transferencia de calor, lo que lleva a una reducción en la eficiencia de la caldera). La transferencia de calor efectiva puede ser inhibida por varios problemas, siendo los más comunes:
- Formación de Incrustaciones – acumulación de minerales solidificados en las superficies interiores de la caldera, que los aísla y reduce la eficiencia de transferencia de calor.
- Acumulación de Hollín – ocurre en calderas de combustibles fósiles, donde la combustión incompleta lleva a la acumulación de hollín en las superficies de transferencia de calor de la caldera, lo que lleva a una reducción en la transferencia de calor.
Atemperador
Los atemperadores controlan la temperatura del vapor inyectando agua de alimentación de caldera a alta presión en el flujo de vapor, previniendo así el sobrecalentamiento que podría dañar los componentes aguas abajo. Los atemperadores pueden instalarse:
- En la línea de descarga principal de vapor de la caldera (después del sobrecalentador final).
- Entre sobrecalentadores, por ejemplo, entre el segundo y tercer sobrecalentador.
- En una configuración primaria y secundaria, donde el primario se instala entre sobrecalentadores y el secundario se instala en la línea de descarga principal de vapor.
Por lo general, los atemperadores operan automáticamente para mantener las temperaturas del vapor en o cerca de un punto de ajuste dado. Los atemperadores son críticos para la operación segura de una caldera y sus consumidores de vapor. Un atemperador que funcione mal puede resultar en líneas de vapor inundadas, llevando a golpes de ariete en las tuberías de vapor y daños a cualquier turbina de vapor aguas abajo debido al arrastre de humedad. Para prevenir que ocurran tales problemas, la temperatura del vapor se monitorea cuidadosamente directamente después de los atemperadores.
Nota importante – los atemperadores también se conocen como ‘desupercalentadores’.
Tuberías de Vapor
Las tuberías de vapor transportan vapor desde la caldera hasta el punto de uso, como turbinas o equipos de proceso. Las tuberías de vapor estarán aisladas para reducir las pérdidas de calor y pueden ser soportadas por colgadores de tuberías o soportes de tuberías (soportes de pies deslizantes, etc.).
Colgador de Tubería Variable