Sistema de recirculación de gases en una termoeléctrica cuya planta se encuentra en Colombia
- Resumen
- Descripción del proceso de
generación de energía eléctrica en la
termoeléctrica - Controlar la temperatura del
vapor - Resultados desde el punto de
vista del impacto ambiental - Resultados desde el punto
de vista de la eficiencia de la
combustión - Resultados desde el
punto de vista de las temperaturas
obtenidas - Resultados de las
temperaturas en los quemadores - Consumos
presentados - Rendimiento
obtenido - Conclusiones
finales
Se presentan aquí los efectos del uso de un
sistema de
recirculación de gases durante varias pruebas
realizadas en una planta termoeléctrica o más bien
como se les suele llamar a las que utilizan el carbón para
producir energía
eléctrica: Carboeléctrica ubicada en el
distrito de Paipa, Boyacá (Colombia), cuya
operación comercial tuvo sus inicios en 1999.
Se incluye los resultados más importantes
obtenidos (temperaturas, gases y consumos) de varias pruebas con
el objeto de conocer las ventajas y desventajas de usar este
sistema que, se sabe, debe ser empleado solo para cargas
inferiores a 150 MW netos (máxima carga neta para la que
esta diseñada la planta), que es la máxima
generada. Finalmente se concluye sobre si beneficia, o no a la
planta de potencia de vapor
que funciona a base de carbón, tal sistema.
Las partes que se beneficiarán o no en todo el
sistema de vapor de la planta incluyen la caldera y la turbina de
vapor, sin embargo, no se limita solo a estas áreas, si no
que cubre toda la planta en general.
Términos utilizados que son descriptivos de este
artículo son:
Turbinas, calderas,
bombas,
recirculación de gases, damper o compuerta,
sobrecalentadotes, recalentadores, economizadores,
gases.
GAS RECIRCULATION SYSTEM ANALISYS IN THE
ELECTRICAL COMPANY OF SOCHAGOTA S.A E.S.P
ABSTRACT
This paper presents the effects of using a gas recirculation
system in a Power Plant, localized in Paipa district,
Boyacá (Colombia), whose commercial operation started in
1999.
This document includes the most important results
obtained (temperatures, gases produced and consumptions) of
several tests with the object to know the advantages or
disadvantages of using this system; It`s well-known that this
system should be employed in loads lower than 150 MW nets (The
maximum load net generated). Finally there are conclusions about
the benefits or not benefits for the plant are
presented.
DESCRIPCIÓN DEL
PROCESO DE
GENERACIÓN DE ENERGÍA
ELÉCTRICA EN LA TERMOELECTRICA
El carbón (carbón bituminoso) suministrado
por las minas de carbón circundantes -Paipa, Topaga,
Corrales-, se almacena en los patios de carbón de la
planta, desde donde es transportado mediante cintas
transportadoras primero hasta los trituradores (el carbón
llega con una granulometría entre 0 y 400 mm y sale con
una granulometría entre 0 y 32 mm), luego continua por
cinta transportadora hasta la tolva de cada molino.
El carbón es alimentado de cada tolva hacia el
pulverizador por medio de un alimentador volumétrico que
regula la carga en el molino, donde el carbón se
pulveriza, este sale con una granulometría de 75
μm) y se seca con aire precalentado
y se envía a los quemadores ubicados en el hogar de la
caldera de vapor. Allí se sopla a la cámara de
combustión, donde la mezcla de
aire-carbón se quema alcanzando temperaturas entre 1200 y
1500°C.
El gas caliente procedente del hogar pasa sucesivamente
por el sobrecalentador tipo platen –su mecanismo de
transferencia de calor es
través de convección y radiación-, sobrecalentador secundario,
recalentador colgante situado en el paso de convección,
fuera de la zona de transferencia de calor radiante del
hogar.
El gas se dirige hacia abajo y atraviesa el
sobrecalentador primario horizontal y el economizador, este luego
de salir del economizador, sigue su camino de salida de la
caldera, pasando por el calentador de aire, en donde por
intercambio de calor, le es extraído parte de su calor a
los gases para entregarlo al aire que fluye por el calentador,
luego, los gases un poco más fríos van hacia
Precipitador electrostático cuya finalidad es depurar el
gas, este fluye por la carcasa del filtro, en cuyo interior por
medio de efectos eléctricos se cargan las
partículas de polvo (electrodos de ionización), las
cuales son atraídas por los electrodos de
precipitación donde es evacuado periódicamente. El
polvo acumulado, por medio de un sistema de golpeo, cae en tolvas
de polvo y es llevado al silo por medio de un sistema de transporte de
ceniza volátil. Por último es conducida hacia el
relleno o aprovechada por la industria
cementera dependiendo de la cantidad de inquemados (hasta un 12%)
.
El agua llega a
la caldera, procedente de un circuito que pasa inicialmente por
los calentadores de baja presión
LP1 y LP2 –abreviatura en ingles de Low Pressure-, va hacia
el tanque de agua de alimentación
además de precalentar el agua,
cumple la función
también de Deaereador -elimina el oxígeno
y otros gases que contiene el agua y que tienen alto poder de
oxidación-, luego es conducido hacia las bombas de
alimentación, y posteriormente pasan a los calentadores de
alta presión HP4 y HP5 -High Pressure-, de allí el
agua pasa al economizador de la caldera, y de allí luego
de pasar por tres niveles de economizador, el agua es enviada al
Domo, de este sale a través de los
Downcomers –tubos de bajada de agua-, y llega
hasta los colectores, desde donde es repartido a las paredes
-frontal, posterior, laterales derecha e izquierda-. Estas
están compuestas por un sistema de tubos a través
del cual fluye el agua.
Esta va progresivamente aumentando de temperatura,
regresa al Domo, donde se separa el agua del vapor, por medio de
los separadores ciclónicos y el scrubber, y
se envía (el vapor) inicialmente hacia el sobrecalentador
primario horizontal. Luego Pasa hacia el sobrecalentador tipo
platen, va luego al sobrecalentador secundario y posteriormente
es dirigido hacia la turbina.
El vapor – que alcanza aproximadamente 540
°C a una presión de 140 bares –
impulsa la turbina, en este caso la turbina de alta
presión haciendo mover sus alabes, esta gira a 3600
revoluciones por minuto, luego el vapor sale por la
extracción de la turbina de alta, una parte de este vapor
se envía al calentador HP5, y el porcentaje restante
–aproximadamente el 88%- regresa a la caldera, para ser
calentada de nuevo en el recalentador con el fin de que la
temperatura al llegar a la turbina, secciones de media
presión y de baja presión este de nuevo a
540 °C, para evitar excesiva humedad que
podría perjudicar componentes de la turbina. Las secciones
de media y baja presión también cuentan con
extracciones de vapor que es enviado a los calentadores15 HP4,
HP3, Lp2 y Lp1.
La turbina se encuentra unida rígidamente con el
rotor del generador, del cual resulta la energía
eléctrica debido al movimiento
giratorio. En un transformador se incrementa la tensión
del generador a 230 KV, para poder así, alimentar la
red
Nacional.
La turbina está conectada posteriormente a un
condensador , en el que el vapor se transforma de nuevo en agua
al restarle calor. Luego se bombea mediante bombas de
extracción de condensado-, haciéndola pasar a
través de calentadores diversas etapas -baja y alta
presión- y se envía de vuelta al sistema de tubos
de la caldera para así obtener el máximo
rendimiento del ciclo. El sistema de agua de circulación
utilizado para refrigerar el condensador que es operado en
circuito cerrado16, traslada el calor que se extrae al
condensador al medio ambiente
mediante una torre de celdas de refrigeración -torre de
enfriamiento-.
El mímico que aparece en la
ilustración siguiente, es una buena guía
gráfica del proceso de producción de vapor que se ha descrito en
esta sección en el que se muestran con sus respectivos
símbolos, algunos de los equipos
principales que también se mencionaron. Una manera de
comprender este diagrama
consiste en leer el proceso descrito arriba, y ubicar en la
ilustración las partes a medida que se van
mencionando.
En esta ilustración se tiene en la turbina que:
HP, por sus siglas en ingles high pressure o alta presión,
IP que en
ingles corresponde a Intermediate pressure o presión
intermedia como se diría en español, y
finalmente LP para Low pressure o baja presión en nuestro
rico y variado idioma –se me exalto el amor por
nuestra américa
latina-.
controlar la temperatura del
vapor.
De acuerdo con la
teoría
(Babcock Wilcox, 1992) una mejora en la tasa de calor de la
caldera y Turbina conduce a una alta eficiencia del
ciclo con altas temperaturas de vapor.
En esta Termoeléctrica, cuando la carga de la
unidad es máxima, en este caso 150 MW netos, las
temperaturas de vapor son cercanas a 543 C, pero cuando
la carga baja de este valor, las
temperaturas de vapor sobrecalentado y recalentado disminuyen,
por lo que es necesario ejercer un control de la
temperatura del vapor. La planta posee dos medios para
ejercer este control: la atemperación para disminuir la
temperatura del vapor, y la recirculación de gases para
aumentarla.
La atemperación, es usada inyectando sobre el
vapor (sea que se encuentre este en el sobrecalentador o
recalentador), agua extraída del sistema de agua de
alimentación.
La recirculación de gases: la función
básica es modificar la distribución de absorciones de calor dentro
del generador de vapor, debido a la variación del caudal
de gases y el perfil de temperaturas asociado a éstos, a
lo largo del quemador.
Esta reintroduce parte de los gases que van hacia la
chimenea luego de salir por el ventilador de tiro inducido, y los
introduce en la parte inferior del hogar en un punto cerca del
fondo del mismo, y en la cual esta instalada una lamina
deflectora a la entrada, para evitar que la entrada del gas
recirculado se dirija al centro del hogar y no afecte la dirección de las llamas en los
quemadores.
Se presenta un aumento
del caudal de gas en estas superficies (sobrecalentador y
recalentador), lo que mejora las características de
transferencia de calor por convección.
El sistema de recirculación de gases cuenta con
un ventilador, el cuál esta equipado con dampers de cierre
hermético en la descarga, y en la succión para
regular el flujo de gases.
resultados Desde el punto de vista del impacto
ambiental
- Se observa el comportamiento de dióxido de azufre
(SO2) y óxidos de nitrógeno
(NOx). La ilustración 1 presenta
este comportamiento. Teniendo en cuenta esta ilustración
se desarrolla el siguiente análisis.
Dióxido de azufre (SO2)
Aumenta con el uso de gases recirculados. Este efecto se
debe en parte al reingreso de gases que de por si ya traen en su
flujo SO2, que se va sumando con el generado en la
combustión.
Óxidos de nitrógeno (NOx)
.
El comportamiento de este en las pruebas es de descenso,
a medida que se aumenta la recirculación de gases. Una
razón que explica esto es que los gases de
recirculación disminuyen la temperatura de la llama,
disminuyendo así el NOx
térmico.
Nuestra normativa a través del decreto 02 de 1982
del antiguo ministerio de salud, ya que hoy día
es el ministerio del medio ambiente
quién vela el cumplimiento de esta normatica- cuya
vigencia la establece el decreto 948 del ministerio del medio
ambiente, establece como parámetros reguladores la altura
de la chimenea y la dispersión de partículas al
medio ambiente, en cuanto a esto la planta cumple aún
usando recirculación y con amplios márgenes. Tiene
una altura de chimenea de 100 m, mientras que la norma establece
en este caso partícular algo más de 40 m. Igual
ocurre con la rata de emisión que según la norma
debe ser en este caso de 1.68 Kg/106 Kilocal, la
planta se encuentra muy por debajo (0.2016 Kg/ 106
Kilocal).
Ilustración
1. Impacto ambiental
– prueba a 75 MW apróx.
RESULTADOS Desde el punto de vista de la
eficiencia de la combustión
El valor que indican gases como CO y el O2
es:
CO alto indica combustión incompleta (Ganapathy,
V. (2))
O2 alto indica demasiado aire en exceso
(Ganapathy, V. (2))
De manera resumida lo que se puede ver en el diagrama
con la tendencia del CO hacia el aumento es que se producen
más inquemados, es decir, se presenta una
combustión menos eficiente, explicado esto, por varias
razones, entre ellas el descenso en la temperatura de los
quemadores y el mayor arraste de combustible antes de que
ignicione en los quemadores. La ilustración 2 permite
comprobar lo dicho.
Ilustración
2. Comportamiento de la combustión – prueba a 75
MW-
Inquemados. Este es un parámetro limitador del
sistema de recirculación ya que aumenta con la cantidad de
gases recirculados. Existen unos valores de
inquemados que permiten que estos sean usados por la industria
cementera por sus propiedades puzolánicas, ya que la
alúmina y
la sílice que poseen estas cenizas les son útiles
–para procesos de
fabricación de cemento,
aplicando aquí lo que actualmente se conoce como
valoración de procesos. Este valor para la planta se
encuentra en 12% de inquemados. Se notó durante el
estudio, que es posible llegar a valores aún inferiores
sin importar que se utilice la recirculación controlando
por supuesto el flujo de gases recirculados que ingresan a la
caldera.
RESULTADOS DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LAS
TEMPERATURAS OBTENIDAS
Las temperaturas se miden con elementos de medición instalados de forma permanente en
los lugares citados arriba, estos elementos constan de termocupla
(tipo E o K ), transmisor y señal de 420 mA que va al
software
PROCONTROL, que da mediciones en tiempo real y
permite guardar sus valores para su estudio posterior.
De las pruebas realizadas, una de las cuales aparece
representada en la ilustración 3 para las temperaturas en
los sobrecalentadores y recalentador, en las que se nota que
estas aumentan al ascender el uso de gases recirculados. No
obstante, obtener temperaturas superiores a las de
operación no es bueno, ya que estos equipos no son
diseñados para resistir tales temperaturas, razón
por la cual se utiliza la atemperación, que es otra de las
variables que
se analizan dentro del presente proyecto, y que
aparece posterior al análisis de temperaturas en la
caldera, que se han denominado las principales temperaturas que
intervienen en el proceso.
Se nota que a bajas cargas, la temperatura en el
recalentador permanece por debajo de la temperatura en el
sobrecalentador.
El hecho de que las temperaturas de vapor vivo y
recalentado se encuentran cercanas a 540 C, es bueno
desde el punto de vista que la entalpía del vapor es mayor
en estas temperaturas, comparada frente a entalpías para
temperaturas por debajo de la misma, por decir 480 C. Y
por criterios de seguridad de los
materiales la
temperatura no debe ser superior a 543 C.
También se incrementan las pérdidas por
aumento de la temperatura a la salida de los gases en la
chimenea, esta temperatura aparece en la ilustración 3
como temperatura después de recirculación (en forma
abreviada T después de reci).
Ilustración 3. Temperatura (lado izq. y
uso de atemperación durante una prueba a 75 MW)
RESULTADOS DE LAS TEMPERATURAS EN LOS
Quemadores
En cuanto los quemadores, el comportamiento de estos con
recirculación consiste en que disminuyen la temperatura,
lo que puede ocasionar que se apaguen. El peligro de un quemador
apagado y que se continúe el suministro de combustible,
puede hacer que este se vaya hacia la parte superior de la
caldera e ignicione generando peligrosas explosiones. Contra este
inminente peligro la planta posee un sistema de protección
que hace que al momento de presentarse el apagado de un quemador,
inmediatamente se detiene el suministro de combustible, evitando
así riesgos
inminentes.
ConsumoS PRESENTADOS
En la ilustración 4 se puede ver el
comportamiento del consumo de
carbón con el uso de recirculación. Para dos cargas
diferentes, ambas inferiores a la máxima generada: 150 MW
netos.
Ilustración 4. Consumo de carbón
para una prueba a baja carga 60 y 75 MW
Se puede ver la desventaja que traería el aumento
en el consumo de carbón para cargas cercanas a 60 MW, sin
embargo, cuando la carga aumenta como en el caso de
generación de 75 MW, el consumo de carbón no
presenta aumentos que aminoren las ventajas de utilizar
recirculación, hablando en términos
económicos.
RENDIMIENTO OBTENIDO
Se han tomado datos de una
prueba a baja carga, y se analiza tanto con recirculación
como sin recirculación para ser comparados. En la
ilustración 5 se encuentran graficados en el diagrama de
Mollier para su correspondiente análisis.
A entrada a la turbina
5 Vapor recalentado frío a la salida de la
turbina
B Vapor recalentado caliente a la entrada a la turbina
de media
C Entrada a la turbina de baja
D Entrada al condensador
1,2,3 y 4 son extracciones
Ilustración 5.
Ciclo agua vapor prueba a 60 MW con y sin
recirculación de gases
Se ve en diagrama la línea fucsia es
operación con recirculación y la línea verde
es para operación sin recirculación de
gases.
Del diagrama de Mollier es importante recordar que
eficiencia (n) = H / S. T
H es el diferencial de entalpía,
S es el diferencial de entropía (esta por segunda ley de termodinámica, siempre aumenta), T es la
temperatura y n es la eficiencia, equivalente a la pendiente de
las líneas formadas.
De acuerdo a lo mostrado en la ilustración 5, no
se aprecia una diferencia considerable, aunque en la primera
etapa de la turbina se nota mayor inclinación de la
pendiente (mayor eficiencia) para trabajo con
recirculación de gases, en la segunda también es
leve y mayor la pendiente, también para el empleo de
recirculación de gases. Para la parte de baja
presión no hay cambio
significativo.
Todo lo anterior quiere decir que no se aprecia un
aumento significativo en la eficiencia en la turbina para esta
prueba a 60 MW Netos, representada en la ilustración 5.
Para cargas superiores a esta, se notan efectos más
notorios y positivos en cuanto a la eficiencia.
Lo que se ha visto hasta el momento en el
análisis de estas variables conduce a pensar en una serie
de efectos que se presentan en prácticamente todo el ciclo
de vapor, lo que hace que no se pueda uno colocar tajantemente de
lado del uso del sistema de recirculación; así como
tan poco se puede dejar en desuso este importante sistema de
control de la temperatura de vapor. Diversas pruebas,
ojalá durante más largos periodos y nuevas
mediciones permiten afinar el uso del sistema en condiciones cada
vez mejores. En definitiva se puede decir que si es beneficioso
usar este sistema pero para cargas superiores a la media, tal
como aparece en la siguiente ilustración:
Ilustración 6. Recomendación acerca del
uso de recirculación de gases
En esta ilustración se muestra donde se
recomienda usar la recirculación de gases. Se basa en que
para cargas medias o superiores, el consumo de carbón no
aumenta, y también la eficiencia comienza a presentar
algunas ventajas ha tener en cuenta.
Se ha relacionado en esta ilustración la carga
con el flujo de gases de recirculación que se pueden
calcular con la velocidad del
gas y el àrea del ducto de recirculación. La
velocidad se obtiene midiendo la temperatura de gas, y sus
presiones:
Pdiff, es la presión diferencial, g es la
aceleración de la gravedad, R la constante universal de
los gases, T la temperatura, M el peso molecular y P la
presión absoluto del gas.
Los criterios tenidos en cuenta para aconsejar el uso
del sistema o no, son: las temperaturas del vapor sobrecalentado
y recalentado, los inquemados generados, el impacto ambiental, el
consumo de carbón y la eficiencia de la caldera, de la
turbina y por supuesto de toda la planta.
La recirculación de gases produce un efecto
similar a el aumento de exceso de aire: aumento de flujo de
gases, aumento de temperaturas de vapor sobre y recalentado,
más inquemados, más presencia de monóxido de
carbón y aumento de las pérdidas de calor, y
también es antieconómico.
Con este artículo es posible que llegue a ser
pionero, como lo fue Roberta Close con respecto al transformismo
o tal vez el Cristóbal Colón en el descubrimiento de
América –bueno en esto si me parezco a
Colón: estoy siendo un poco soñador con tan
exagerado comentario-.
En la recirculación de gases no hay nada
práctico hasta ahora publicado en un medio de tan
fácil acceso como este de la internet, incluso es
difícil encontrar este tema tratado en detalle en medios
escrito e impresos, lo que hay hasta ahora se encuentra en los
servicios que
prestan las empresas de
ingeniería y del cual no dan muchos
detalles.
Babcock Wilcox Company. Recirculación de gases
de combustión para controlar la temperatura del vapor.
Procedimiento
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——–.. Steam: its generation and use. December
1992. 40Th edition.
DE LORA SORIA, Federico. Técnicas
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www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/
23410/frames/contenido.html
LUIS ENRIQUE TABORDA TABORDA
Ing. Mecánico (Universidad EAFIT Medellín,
Colombia)
Tecnólogo Industrial (Politécnico
Industrial Jaime Isaza Cadavid)
e