Partes da Caldeira de Tubos de Água Explicadas
Uma caldeira de tubos de água transforma água em vapor ao aquecê-la com a energia liberada pela combustão de combustíveis; a exceção é um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG), que converte água em vapor usando calor recuperado dos gases de escape. As caldeiras de tubos de água são utilizadas em diversas aplicações industriais, mas este artigo se concentra nas caldeiras de tubos de água empregadas em centrais elétricas.
Nota – para facilitar a compreensão e familiarização, este artigo utiliza as variações de tubo de água, tubos de água e tubo de água ao longo do texto; todas as expressões têm o mesmo significado.
Nota – consulte nosso artigo principal Caldeiras de Tubos de Água Explicadas se precisar de uma visão geral sobre o funcionamento, design e operação das caldeiras de tubos de água.
Caldeira de Tubos de Água de Estação de Energia
Design da Caldeira de Tubos de Água
Uma grande caldeira de usina utiliza milhares de componentes para produzir vapor de forma eficiente e confiável. As principais partes de uma caldeira de tubos de água são apresentadas neste artigo, mas há muitas mais! Use o diagrama abaixo como referência enquanto lê este artigo.
Partes e Localizações da Caldeira de Tubos de Água
Componentes e Localizações da Caldeira de Tubos de Água
Tambor de Vapor
Um tambor de vapor é um recipiente cilíndrico que contém água e distribui vapor; ele está localizado no topo da caldeira. O tambor de vapor coleta o vapor gerado pelos tubos elevadores, que cercam a fornalha. Os tambores de vapor contêm componentes internos como separadores ciclônicos e lavadores para garantir que o vapor descarregado esteja seco e livre de gotas de água, evitando assim o transporte de umidade para os superaquecedores e turbinas a vapor. Produtos químicos são dosados no tambor de vapor porque o ambiente dentro do tambor é turbulento, auxiliando assim a mistura dos produtos químicos no sistema.
Tambor de Vapor da Caldeira de Tubos de Água
Tambor de Lama
Os tambores de lama estão posicionados na parte inferior de uma caldeira de tubos de água; eles coletam sedimentos e impurezas do sistema de água da caldeira. Em alguns designs de caldeiras, especialmente designs mais modernos ou compactos, um tambor de lama dedicado pode não estar presente. Em vez disso, coletores de água instalados na parte inferior da caldeira podem desempenhar a mesma função (esses coletores servem como pontos de coleta de impurezas, atuando efetivamente como tambores de lama).
Localizações dos Tambores de Vapor e Lama da Caldeira de Tubos de Água
Tubos de Água
Os tubos de água contêm água da caldeira antes de mudar de estado/fase para vapor. O nome de um tubo de água muda dependendo de sua localização dentro da caldeira, por exemplo:
- Tubos de descida – transportam água fria do tambor de vapor para a parte inferior da caldeira.
- Tubos elevadores – transportam água aquecida e vapor da parte inferior da caldeira para o tambor de vapor.
Coletores
Os coletores são cilindros grandes com múltiplas conexões. Os coletores coletam o fluido de trabalho para um grupo de tubos e são tipicamente rotulados como coletores superiores ou coletores inferiores. Se um coletor estiver instalado em uma posição alta dentro da caldeira, ele coleta a mistura de água/vapor de seus tubos elevadores associados e a canaliza para o tambor de vapor através de múltiplos tubos; é conhecido como coletor de vapor ou coletor superior. Se um coletor estiver instalado em uma posição baixa na caldeira, ele distribui água para seus tubos conectores; é conhecido como coletor de água ou coletor inferior.
- Coletor de vapor – coleta vapor dos tubos elevadores e o descarrega para o tambor de vapor.
- Coletor de água – distribui água para a base dos tubos elevadores.
Queimador
As principais entradas de uma caldeira são:
- Combustível – serve como fonte de energia térmica.
- Ar – fornece o oxigênio necessário para a combustão.
- Água – necessária para gerar vapor.
Entradas da Caldeira a Carvão
O queimador é responsável por misturar combustível e ar e então ignitar a mistura para criar a chama que aquece os tubos de água; um queimador garante combustão eficiente e uma chama estável. Pode haver múltiplos queimadores em uma única caldeira e estes podem ser dispostos em várias configurações:
- Parede Frontal – os queimadores são dispostos na parede frontal da caldeira.
- Paredes Opostas – os queimadores são colocados em paredes opostas, voltados um para o outro.
- Cantos – os queimadores são posicionados nos cantos da fornalha.
Queimadores tangenciais e queimadores de parede são os dois tipos mais comuns de queimadores utilizados em caldeiras de tubos de água.
Fornalha
O núcleo de uma caldeira de tubos de água é sua fornalha, onde ocorre a combustão do combustível, gerando calor. Ao redor da fornalha estão tubos cheios de água, que formam as ‘paredes de água’ da caldeira. Tubos de caldeira absorvem o calor gerado pela combustão, convertendo a água dentro dos tubos em vapor; este vapor pode então ser usado para acionar turbinas a vapor ou fornecer calor para vários processos industriais.
Internos da Caldeira de Tubos de Água
As fornalhas são revestidas com material refratário para reter o calor gerado e proteger a estrutura da caldeira.
Nota – o termo ‘refratário’ é frequentemente confundido com ‘isolamento’, o que não é estritamente correto. Refratário é usado para aplicações de alta temperatura, pode ser diretamente exposto a uma chama e geralmente é fabricado a partir de cerâmicas ou um material semelhante a tijolo. Isolamento é usado para aplicações de temperatura mais baixa, não é diretamente exposto a uma chama e geralmente é fabricado a partir de fibra de vidro ou lã mineral.
Nota – as paredes de água são formadas por um conjunto de tubos elevadores que estão alinhados para formar ‘paredes’.
Estrutura da Parede de Água da Caldeira
Economizador
O economizador pré-aquece a água de alimentação da caldeira antes de entrar no tambor de vapor. Devido à sua localização dentro da caldeira, um economizador recupera o calor residual dos gases de escape, melhorando assim a eficiência da caldeira.
Superaquecedor
Superaquecedores são projetados para elevar a temperatura do vapor acima de sua temperatura de saturação. Superaquecedores aquecem o vapor descarregado do tambor de vapor, aumentando assim sua temperatura e, consequentemente, a quantidade de energia térmica que o vapor contém. Geralmente, há vários superaquecedores dentro de uma única caldeira de tubos de água:
- Superaquecedor primário – a primeira etapa do superaquecimento, que aumenta a temperatura do vapor e reduz o conteúdo de água líquida do vapor.
- Superaquecedor secundário – aquece ainda mais o vapor para atingir a temperatura desejada.
A transferência de calor dentro da caldeira ocorre através de três métodos principais:
- Radiação – transferência de calor via ondas eletromagnéticas; este é um modo significativo de transferência de calor dentro da fornalha porque a energia radiante da combustão aquece os tubos de água. Superaquecedores que absorvem calor via radiação são conhecidos como superaquecedores radiantes.
- Convecção – ocorre dentro de um sistema via movimento em massa de moléculas de líquido ou gás. Em caldeiras, a circulação natural de água através de uma caldeira é um exemplo de convecção. Tubos evaporadores (onde a água evapora para vapor) são conhecidos como conjuntos de tubos convectivos. Superaquecedores que absorvem calor via convecção são conhecidos como superaquecedores convectivos.
- Condução – transferência de calor através de um material ou materiais. O calor passando para os tubos de metal de uma caldeira, e então para a água dentro dos tubos, é um exemplo de condução.
Transferência de Calor Dentro de uma Caldeira de Tubos de Água
Superaquecedores podem ser classificados com base em como o calor é transferido para eles, ou seja, via radiação, convecção ou condução. O tipo de transferência de calor depende da localização do superaquecedor dentro da caldeira. O calor radiado só pode ser transferido por linha de visão, da fonte de calor para o absorvedor de calor, portanto, superaquecedores radiantes devem ter linha de visão para a chama da caldeira, caso contrário, não podem ser superaquecedores radiantes. Superaquecedores podem ser classificados como:
- Superaquecedores Radiantes – diretamente expostos à chama da fornalha por linha de visão; eles absorvem a maior parte do seu calor através da radiação.
- Superaquecedores Convectivos – localizados longe da chama da fornalha sem linha de visão; eles absorvem calor via os gases de combustão quentes que fluem ao redor deles.
Reaquecedores
Reaquecedores são usados em sistemas de turbinas de múltiplos estágios para reaquecer o vapor após ele ter passado por uma turbina de alta pressão. Reaquecedores são semelhantes em design e aparência aos superaquecedores. Onde há múltiplos reaquecedores, eles são instalados em série. O vapor que entra no sistema de reaquecimento é chamado de vapor de reaquecimento frio e o vapor que sai do reaquecedor é chamado de vapor de reaquecimento quente.
- Reaquecedor primário – reaquece o vapor para estágios de turbina de pressão intermediária.
- Reaquecedor secundário – fornece reaquecimento adicional para estágios de turbina de pressão intermediária.
Reaquecedores da Caldeira de Tubos de Água
Aquecedor de Ar
Um aquecedor de ar é um trocador de calor que pré-aquece o ar primário e secundário usando os gases de escape da caldeira; isso melhora a eficiência da combustão e reduz o consumo de combustível.
Bomba de Água de Alimentação
Bombas de água de alimentação fornecem água de alimentação do desgasificador para a caldeira. As bombas de água de alimentação mantêm o nível de água no tambor de vapor e garantem um fornecimento contínuo de água para a geração de vapor. Sempre haverá mais de uma bomba de água de alimentação devido à sua criticidade (a falha das bombas de água de alimentação pode levar a danos severos à caldeira e à área circundante), e elas serão instaladas em uma elevação mais baixa do que o desgasificador para reduzir o risco de cavitação. Bombas de água de alimentação de caldeira geralmente são acionadas eletricamente via um motor de indução, ou, usando vapor via uma turbina a vapor. A circulação de água dentro de uma caldeira serve a dois propósitos principais:
- Fornecimento de Água – garantindo um fornecimento constante de água que pode ser transformada em vapor.
- Distribuição de Calor – prevenindo o superaquecimento dos tubos da caldeira ao distribuir o calor uniformemente.
As bombas de água de alimentação geralmente são classificadas como 50% ou 100%, dependendo de quanto da carga total da caldeira elas podem atender. Por exemplo, uma bomba de água de alimentação de 100% pode atender a toda a demanda de água da caldeira quando ela está operando na carga máxima. A água para atenuadores (desuperaquecedores) é alimentada pelas bombas de água de alimentação. As vedações de glândula de uma turbina a vapor também são resfriadas usando água de alimentação da caldeira.
As bombas de água de alimentação de caldeira geralmente têm um inversor de frequência variável (VFD) que permite que sua frequência elétrica seja regulada, e consequentemente sua velocidade e volume de descarga. Uma taxa de fluxo mínima de uma bomba de água de alimentação de caldeira é atendida usando uma válvula de recirculação automática (ARV).
Bomba de Água de Alimentação de Caldeira (Bomba Centrífuga Multiestágio)
Válvulas de Alívio de Segurança (SRVs)
Válvulas de alívio de segurança (SRVs) previnem sobrepressão em uma caldeira. As válvulas de alívio de segurança são projetadas para liberar automaticamente vapor quando a pressão de vapor de uma caldeira excede um limite predefinido, garantindo assim que a caldeira não esteja sobrepressurizada. As válvulas de alívio de segurança de uma caldeira são classificadas como ‘não assistidas’ ou ‘assistidas’. Uma válvula não assistida abrirá uma vez que uma certa pressão do sistema seja atingida; é estritamente uma válvula operada mecanicamente geralmente dependendo de uma ou múltiplas molas. Uma válvula assistida só abrirá se uma certa pressão do sistema for atingida e uma força externa adicional for aplicada para ‘assistir’ a válvula a abrir. Por exemplo:
- Não assistida – a pressão do sistema agindo contra o disco da válvula de segurança faz com que a mola da válvula seja comprimida e a válvula abra.
- Assistida – a pressão do sistema agindo contra o disco da válvula de segurança faz com que a mola da válvula seja comprimida, mas isso não faz com que a válvula abra até que uma força externa seja aplicada. A força externa aplicada é geralmente via um sistema hidráulico ou pneumático, muitas vezes usando um pistão, cilindro ou diafragma.
As SRVs são tipicamente instaladas no tambor de vapor e nos coletores de superaquecedor. Muitas vezes há duas SRVs instaladas em cada posição, proporcionando assim 100% de redundância caso uma válvula falhe em operar conforme o esperado.
Nota – vibração excessiva da válvula é causada quando uma válvula abre e fecha rapidamente; este fenômeno é conhecido como chattering. Válvulas do tipo assistido evitam este problema movendo a válvula diretamente da posição totalmente fechada para totalmente aberta.
Válvula de Segurança com Mola (não assistida)
Indicadores de Nível de Água
Um indicador de nível de água mostra o nível de água dentro de um tambor de vapor da caldeira. Indicadores de nível de água podem ser instalados localmente e visualizados localmente, como com um vidro de medição de caldeira, ou, podem ser instalados localmente e visualizados remotamente, como com transmissores de nível de pressão que medem o nível de água localmente e o transmitem na forma de um sinal elétrico de 4-20 mA para um local remoto, por exemplo, uma sala de controle. O nível de água dentro de uma caldeira pode ser medido diretamente ou indiretamente, dependendo de qual instrumentação é usada. Às vezes, uma luz será instalada atrás do vidro de visão da caldeira e uma câmera de vigilância apontada para o vidro de visão; esta solução permite que os operadores monitorem remotamente o nível do medidor, tornando-se uma alternativa econômica à instrumentação eletrônica.
IMPORTANTE: Manter o nível correto de água dentro de uma caldeira é a tarefa mais crítica ao operar qualquer caldeira!
Vidro de Medição de Nível de Caldeira Montado (Vidro de Visão)
Válvula de Purga
A purga regular ajuda a manter a qualidade da água e prevenir o acúmulo de incrustações. Uma válvula de purga inferior é usada para remover sedimentos e impurezas do tambor de lama; este tipo de purga é intermitente (não constante).
Válvula de Purga Inferior de Caldeira de Tubos de Fogo
Uma válvula de purga de superfície é usada para remover impurezas da superfície da água dentro do tambor de vapor; este tipo de purga é contínuo.
Válvula de Purga de Superfície de Caldeira de Tubos de Fogo
Sistemas de Controle
Caldeiras modernas de tubos de água estão equipadas com sistemas de controle avançados que simultaneamente regulam o fornecimento de combustível, fluxo de ar, nível de água e pressão de vapor. Grandes caldeiras de tubos de água utilizam controle de três elementos para controle de nível de tambor, mas caldeiras menores não requerem sistemas tão avançados (por exemplo, controle de dois elementos ou similar é adequado). Um sistema de controle de caldeira realiza as seguintes tarefas:
- Monitora e controla todos os parâmetros críticos, incluindo nível de tambor, temperaturas de vapor, relação ar/combustível, com base em valores de processo recebidos de instrumentos montados em campo.
- Emite alarmes para desvios de processo.
- Inicia um desligamento em caso de um desvio crítico de processo, como nível de água do tambor baixo/alto, alta temperatura de vapor ou alta pressão de vapor.
- Monitora auxiliares da caldeira para problemas e realiza trocas automáticas, quando necessário. Por exemplo, trazendo uma bomba de reserva online em caso de um desligamento da bomba de água de alimentação principal.
Controle de Três Elementos do Tambor da Caldeira
Nota – controle de três elementos inclui um quarto elemento, mas muitas vezes não é mostrado ou considerado ao se referir ao controle de três elementos. O quarto elemento é a medição de pressão do tambor de vapor. É essencial conhecer a pressão do tambor de vapor porque é responsável por fenômenos como inchaço e encolhimento, que causam flutuações consideráveis no nível registrado no tambor de vapor; isso torna o nível registrado não confiável, a menos que a pressão do tambor de vapor seja levada em consideração.
Válvulas de Controle
Válvulas de controle regulam o fluxo de água de alimentação da caldeira para o tambor de vapor. Para grandes caldeiras de tubos de água, muitas vezes haverá válvulas de água de alimentação redundantes. Durante a operação de rotina, as válvulas de controle de água de alimentação atuam automaticamente para manter o nível de água do tambor de vapor próximo ao ponto de ajuste desejado.
Instrumentação
Manômetros, indicadores, transmissores e sensores são instrumentos usados para monitorar as diferentes variáveis de processo de uma caldeira (pressão, temperatura, fluxo, etc.). Caldeiras de tubos de água de estação de energia usam muitos tipos diferentes de instrumentos para visualização local e remota. Por exemplo:
- Um manômetro é usado para indicação de pressão local.
- Um termômetro é usado para indicação de temperatura local.
- Um transmissor de fluxo pode ser usado para indicação de fluxo local e remoto.
- Um medidor de nível de vidro é usado para indicação de nível local.
- Um transmissor de nível transmite um nível medido em tempo real para o sistema de controle para monitoramento remoto.
Transmissor de Nível de Pressão Diferencial (DP) do Tambor de Vapor
Nota – se um sensor for considerado crítico para a operação segura de uma caldeira, ele será instalado várias vezes, mesmo que esteja medindo a mesma variável! Por exemplo, o nível de água dentro do tambor de vapor de uma caldeira é muito importante e deve ser constantemente monitorado, portanto, é prática comum instalar três transmissores de nível independentes em cada tambor de vapor, e todos eles medem o mesmo nível de água. Se um sensor falhar, assume-se que os outros dois ainda são confiáveis, e a caldeira pode permanecer em serviço enquanto o sensor falhado é reparado; esta configuração é chamada de lógica de votação dois-de-três (2oo3) e é empregada em todo o mundo da engenharia para sistemas críticos de segurança. Por exemplo, para iniciar um desligamento da caldeira em uma condição de nível de água alto no tambor, dois dos três transmissores de nível devem estar no ou acima do ponto de ajuste de desligamento por um período de tempo predefinido (geralmente alguns segundos).
Nota – redundância é um método de garantir que todos os sistemas críticos de segurança sejam efetivamente monitorados, mas também existe o método de ‘variedade’. O método de variedade depende da variedade de sensores usados para uma determinada medição, em vez de sua quantidade. Por exemplo, o nível do tambor de vapor de uma caldeira pode ser medido usando sensores de condutividade, flutuadores ou transdutores de pressão diferencial; instalar todos os três fornece resultados de uma variedade de sensores, o que é considerado mais confiável do que simplesmente três medições do mesmo tipo de sensor.
Chaminé de Gases de Escape
A chaminé de gases de escape expulsa os gases de escape da caldeira para a atmosfera. Para algumas caldeiras, os gases de escape podem ser expelidos sem tratamento, mas isso não é verdade para caldeiras a combustíveis fósseis, como aquelas que queimam óleo, carvão ou biocombustível; caldeiras a resíduos também requerem limpeza de gases de escape. Equipamentos padrão de controle de poluição incluem precipitadores eletrostáticos, dessulfurizadores de gases de combustão e/ou filtros de saco.
Precipitador Eletrostático
Soprador de Fuligem
Sopradores de fuligem usam ar comprimido ou vapor para limpar fuligem dos tubos da caldeira, superfícies radiantes da fornalha, economizadores e aquecedores de ar. Limpar os internos da caldeira de fuligem garante que a eficiência da transferência de calor seja mantida (fuligem nos tubos atua como um isolante térmico e impede a transferência de calor, levando assim a uma redução na eficiência da caldeira). A transferência de calor eficaz pode ser inibida por vários problemas, sendo os mais comuns:
- Formação de Incrustações – acúmulo de minerais solidificados nas superfícies internas da caldeira, que os isola e reduz a eficiência da transferência de calor.
- Acúmulo de Fuligem – ocorre em caldeiras a combustíveis fósseis, onde a combustão incompleta leva ao acúmulo de fuligem nas superfícies de transferência de calor da caldeira, levando assim a uma redução na transferência de calor.
Atenuador
Atenuadores controlam a temperatura do vapor injetando água de alimentação de caldeira de alta pressão no fluxo de vapor, consequentemente prevenindo o superaquecimento que poderia danificar componentes a jusante. Atenuadores podem ser instalados:
- Na linha de descarga principal de vapor da caldeira (após o superaquecedor final).
- Entre superaquecedores, por exemplo, entre o segundo e o terceiro superaquecedor.
- Em uma configuração primária e secundária, onde o primário é instalado entre superaquecedores e o secundário é instalado na linha de descarga principal de vapor.
Geralmente, atenuadores operam automaticamente para manter as temperaturas do vapor em ou perto de um ponto de ajuste dado. Atenuadores são críticos para a operação segura de uma caldeira e seus consumidores de vapor. Um atenuador com mau funcionamento pode resultar em linhas de vapor inundadas, levando a golpes de aríete em tubulações de vapor e danos a qualquer turbina a vapor a jusante devido ao transporte de umidade. Para evitar que tais problemas ocorram, a temperatura do vapor é cuidadosamente monitorada diretamente após os atenuadores.
Nota – atenuadores também são conhecidos como ‘desuperaquecedores’.
Tubulação de Vapor
Tubulação de vapor transporta vapor da caldeira para o ponto de uso, como turbinas ou equipamentos de processo. A tubulação de vapor será isolada para reduzir perdas de calor e pode ser suportada por suportes de tubulação ou suportes de tubulação (suportes de pés deslizantes, etc.).
Suporte de Tubulação Variável