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Sistema de recirculación de gases en una termoeléctrica cuya planta se encuentra en Colombia




Enviado por ltabord2



    1. Resumen
    2. Descripción del proceso de
      generación de energía eléctrica en la
      termoeléctrica
    3. Controlar la temperatura del
      vapor
    4. Resultados desde el punto de
      vista del impacto ambiental
    5. Resultados desde el punto
      de vista de la eficiencia de la
      combustión
    6. Resultados desde el
      punto de vista de las temperaturas
      obtenidas
    7. Resultados de las
      temperaturas en los quemadores
    8. Consumos
      presentados
    9. Rendimiento
      obtenido
    10. Conclusiones
      finales

    RESUMEN

    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.

    conclusiones
    finales

    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.

    Bibliografía

    Babcock Wilcox Company. Recirculación de gases
    de combustión para controlar la temperatura del vapor.
    Procedimiento
    PMP027. Edición del 21 de mayo de 1998

    ——–.. Steam: its generation and use. December
    1992. 40Th edition.

    DE LORA SORIA, Federico. Técnicas
    de defensa del medio ambiente. Volumen 22.
    Editorial Labor S.A Barcelona. 1978.

    ESSO COMPANY. Principios
    fundamentales para la eficiencia de calderas
    (documento).

    Ganapathy, Viswanathan. Steam plant calculations
    manual.
    Calderas de Vapor. Segunda edición. Ed. L.L. Faulkner.
    Ohio, EEUU

    L & K INTERNATIONAL TRAINING. Formación de
    operadores de centrales térmicas. Estudio de Casos I.
    Texto de
    apoyo 6009 –AOT No. 9. Ontario Canada.

    ——–. Operación del generador de vapor.
    Libro de
    trabajo del estudiante. Ontario Canada.

    RODRÍGUEZ GUERRERO, Gonzalo. Operación
    de calderas industriales. Tratado práctico operacional.
    Editorial Ecoe ediciones. Primera edición. Santa Fe de
    Bogotá. 2000

    REFERENCIAS DE INTERNET

    Boiler room, @: Boilers Industrials. Company. Boston.
    EEUU. 2004. (En línea). 26 de Marzo de 2004.

    Disponible en: http://www.boilerroom.com/

    CES@: Compañía Electrica de Sochagotra
    S.A. E.S.P. Red interna. 2003. (En línea). 6 de mayo
    2003

    indisa, @: Ingeniería de Proyectos,
    Indisa S.A. Medellín, Colombia. 2003 (En línea).
    12 de Enero y 25 de abril de 2004.

    Disponible en: http://www.indisa.com.co/homecampos/home_campos.htm

    Rincondelvago, @: Información técnica,
    tecnológica. Salamanca, España.
    2004. (En línea) 3 de junio de 2004. Disponible en:
    html.rincondelvago.com.htm

    unal virtual, @: Universidad
    Nacional de Colombia, Centro de información en formato
    electrónico. Bogotá, Colombia. 2004 (En
    línea). 14 de febrero de 2004

    Disponible en:

    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

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