OPORTUNIDADES TECNOLOGICAS IV:
CICLO AGUA / VAPOR
Esta cuarta entrada también se encuadra dentro del objetivo de señalamiento de posibles oportunidades tecnológicas que realizar, a las instalaciones de las empresas, situarse en una posición lo más favorable posible en un ambiente, como el actual, de total competencia, y con el objetivo de buscar y conseguir la prioridad operativa para disponer de mejores condiciones tecnológicas que las demás. Más en concreto, se va a pasar revista a todos aquellos factores, la mayoría externa, que control, de forma general, al diseño conceptual del ciclo agua – vapor de una central eléctrica y, en particular, al de sus bombas de agua de alimentación . Es decir, se van a enunciar todas aquellas alternativas del proceso que sirven de base comparativa para definir, en cada caso, cada uno de los componentes que lo integran.
- FACTORES INTERNOS Y EXTERNOS QUE AFECTAN A LA SELECCION DEL ACCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACION:
- Carga de la central termoeléctrica y su forma de operación:
Se trata de ver la influencia que tiene el tipo de operación prevista: operación en base (6.000 horas / año equivalentes a plena potencia), en intermedio (4.000 horas / año equivalentes a plena potencia), en punta (1.000 horas / año equivalentes a plena potencia), a dos turnos (parando o bajando carga de noche), parando los fines de semana, etc.
La influencia sobre el número de bombas es clara: si funciona la planta siempre, o casi siempre, a plena carga, la mejor solution, indiscutible, y con plena justificación sería una única bomba de agua de alimentación del 100% de capacidad, ya que el coste de inversión es mucho menor y el de operación es prácticamente el mismo. No obstante, si funciona con asiduidad al 50%, dos bombas del 50% sería la solución mejor, siempre que el ahorro de consumo eléctrico entre el funcionamiento al 100% de una sola bomba, de las dos existentes, frente al funcionamiento al 50% -60% de la bomba única, compensase la mayor inversión.
También, la operación prevista de la planta afecta a la inversión en el variador de velocidad, al ser menor el consumo eléctrico, cuando se funciona con variador. por no tener que laminar la presión máxima dado por la bomba para adaptarse a la menor presión requerida. Además, en estas circustancias de laminación, existe, adicionalmente, el problema de pérdidas de las holguras internas de la bomba al funcionar a mayor presión.
TERMOELÉCTRICA CENTRAL
2. Instalación de nueva potencia eléctrica en la red, no es necesario:
El exceso de potencia instalada para cubrir la demanda de energía de la red eléctrica puede hacer que, las plantas existentes, pasen a funcionar en intermedio o en punta, como consecuencia de que, como todo en la vida, las previsiones pueden fallar, al resultar , lo de mañana, diferente a lo de hoy.
INTERCONEXION ELECTRICA ROJA
3. Fiabilidad del sistema eléctrico de generación:
Si existe mucho margen entre la potencia instalada y la demandada, es decir si contamos con un sistema de generación con mucho margen, no parece que resulte bonificable, por el gestor de la red, el que existan reservas o medios para un rearranque rápido en caso de disparo de planta. Este sería el actual del sistema eléctrico español, en donde la potencia instalada es del orden del doble de la máxima anual necesaria.
Si por el contrario, estamos en un sistema ajustado, sin margen alguno, no ha lugar a que se haga análisis de alternativa alguno, entre un diseño con solo una bomba de agua de alimentación accionado por el eje del turbogrupo principal y el mismo diseño obligatorio apoyado por una motobomba de reserva para rearranque rápido en caliente. Por otra parte, cuando el sistema eléctrico es deficiente en potencia instalada, una central accionada con turbobomba es preferible a con motobomba, ya que no se verá afectado la planta en el caso hipotético de fallo del sistema auxiliar de suministro de energía eléctrica.
3. Valor del posible incremento de la potencia producida por la central eléctrica:
Si comparamos las alternativas de accionamiento de las bombas de agua de alimentación con motor o con turbobombas o accionadas con el propio eje del turbogrupo, hay que tener en cuenta la mayor o menor potencia neta producida y, por tanto, la mayor o menor venta del número de Kwh, junto con el impacto sobre el consumo específico. Este último impacto no debe ser, exclusivamente, teniendo en cuenta el menor consumo de potencia por el motor y, como consecuencia, el influjo en la relación Kcal / Kwh, sino que también se debe tener en cuenta, en el caso de turbobomba, el impacto de su alimentación desde el recalentado frío o desde la propia turbina principal, y, en el caso de accionamiento directo por el eje del turboalternador, se debe considerar, en el consumo específico, el impacto de unas menores pérdidas en el transformador principal,
Respecto a la valoración económica enunciada, es mucho más real el cálculo teniendo en cuenta la valoración económica del coste / por el incremento de la mayor potencia generada en Kw, ya que los nuevos grupos de potencia se instalan como modelos “estándares”, no como nuevas plantas a la medida. Pero surge la duda de, en esas circustancias, a cuanto se debe valorar cada incremento en potencia (kw), dependerá mucho de la apreciación del diseñador que, en la realidad, puede que, en esta valoración económica del Kw adicional, tenga más incertidumbres que la cuantificación del valor del incremento de los Kw que se producirían.
CALDERA SUBCRITICA
CALDERA SUPERCRITICA
4. Presión de operación de la unidad:
El consumo de energía del accionamiento de las bomba de agua de alimentación es mayor cuanto mayor sea la potencia de generación de la central y también cuanto mayor sea la presión de la caldera, contra la que tienen que trabajar. También, el tipo de caldera afecta al consumo, ya que las calderas “once through” reqieren un margen de presión y precisan, durante el arranque, la circulación, por todo el ciclo agua-vapor, de un 20% a un 33% del flujo nominal, por lo que se precisa una bomba de esa capacidad accionada por un medio independiente de la propia unidad, cosa que se produce, a menudo, desde otra planta o unidad próxima. Normalmente, las plantas “once through” tienen las bombas de alimentación accionadas por motores, particularmente las que alimentan a calderas supercríticas.
5. D isposición de las bombas de agua de alimentación en “cross o tanden composite” y accionadas por el eje del turbogrupo:
BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACION EN EJE DE LA TURBINA
Con la disposición de “compuesto cruzado”, se suelen emplear dos bombas del 50% accionadas por el eje.
Al ser mayor la velocidad necesaria para una bomba de agua de alimentación, ya que tienen que impulsar el fluido a muy alta presión, si estas son accionadas por el propio turbogrupo, las unidades de 60 cps (1800 rpm) y las unidades de 50 cps (3000 rpm) requiere en un engranaje intermedio multiplicador de velocidad.
6. Ciclo agua-vapor abierto y cerrado:
BOMBA DE CONDENSADO
CALENTADOR
DESGASIFICADOR Y TANQUE AGUA DE ALIMENTACION
La primera reflexión técnica será acerca de la razón de la existencia, en el ciclo, de dos bombeos en serie, el de agua de condensado y el de agua de alimentación. Independientemente de las razones de proceso sobre la necesidad de un desgasificador para eliminar los gases incondensables y conseguir una calidad de agua de alimentación a caldera suficiente, existen razones puramente de bombeo que justifican los dos tipos de bombas, cada una en el lugar adecuado. Las bombas de condensado deben de tener baja velocidad de giro para adaptarse a los bajos requerimiento de NPSH por la baja presión disponible en el condensador.Por otra parte, las bombas de agua de alimentación precisan altas velocidades de giro para poder dar muy altas presiones en su descarga, es decir para igualar y tarbajar contra las altas presiones de la caldera. Si se intenta bombear directamente desde el condensador a la caldera, se precisa unas bombas de casi el doble número de etapas que las normalmente empleadas, con cojinetes de empuje más grandes y externos, con elevado número de veces de revisiones necesarias para recobrar las holguras internas y con costes de inversión casi prohibitivos. Además, los calentadores del ciclo, alimentados con extracciones de vapor desde la turbina, calculan más costosos, al tener que soportar las mayores presiones internas por la mayor presión de las bombas de condensado.con elevado número de veces de revisiones necesarias para recobrar las holguras internas y con costes de inversión casi prohibitivos. Además, los calentadores del ciclo, alimentados con extracciones de vapor desde la turbina, calculan más costosos, al tener que soportar las mayores presiones internas por la mayor presión de las bombas de condensado. con elevado número de veces de revisiones necesarias para recobrar las holguras internas y con costes de inversión casi prohibitivos. Además, los calentadores del ciclo, alimentados con extracciones de vapor desde la turbina, calculan más costosos, al tener que soportar las mayores presiones internas por la mayor presión de las bombas de condensado.
Los inconvenientes de un circuito cerrado, es decir sin desgasificador, son las siguientes:
- El desgasificador debe ser sustituido por un calentador cerrado.
- A pesar de todo se precisa de un tanque exterior de agua de alimentación, ya que la capacidad del pozo caliente del condensador no sería suficiente, a no ser que se pusiese uno de tamaño antieconómico, Esta disposición exigiría un tanque exterior y bomba de transferencia, cuyo coste es equiparable al del desgasificador.
- El condensador precisaría características suplementarias para conseguir el mismo grado de desgasificación.
- Las fugas y entradas piratas de aire se deben evitar al máximo a todas las cargas. Para obtener una desareación de 0,01 cc de O2 / litro, que es la que se obtiene con el desgasificador, las entradas de aire no deben exceder el 25% de la capacidad nominal del equipo de extracción de aire.
- Además del condensador, incluso al 100% de carga, los calentadores de baja presión funcionan en vacío, con lo que aumenta la posibilidad de las entradas de aire. También, a carga parcial, es mayor el número de calentadores que funcionan en vacío.
- Se necesita un sistema de control adicional para proteger la aspiración de las bombas de agua de alimentación de una bajada de presión, por fallo en las bombas de agua de condensado.
Las ventajas de un circuito cerrado, es decir sin desgasificador, son las siguientes:
- Eliminación del desgasificador.
- Posible ahorro del edificio o estructura soporte del desgasificador.
- Posible ahorro de tuberías y válvulas.
- Minimización de los transitorios en la aspiración de las bombas de agua de alimentación.
- Mayor libertad en la ubicación de las bombas de agua de alimentación.
- Mayor posibilidad de agrupamiento básico de componentes.
- Como no existen limitaciones de NPSH, se puede ir a mayores velocidades en las bombas de agua de alimentación y, además, no se requiere bomba “booster”
Las ventajas de un circuito abierto, es decir, con desgasificador, son las siguientes:
- Desgasificación bajo presión con protección segura contra las entradas de aire.
- Desgasificación, a todas las cargas, sin que exista limitaciones por temperatura del agua de circulación, cantidad de agua de aporte al ciclo, etc.
- En general mayor eficiencia y mejor consumo específico, ya que, en el calentador de mezcla (desgasificador), en donde se expansiona el vapor extraido de la turbina, el diferencial de temperatura es cero º F, frente a unos 5 ºF en lo calentadores cerrados . Si el vapor usado para el calentamiento está sobrecalentado, se usará un desrecalentador previo, con lo que se obtiene una mayor efeciencia que si se utiliza directamente en el desgasificador.
- Los drenajes de los calentadores pueden ir directamente al desgasificador, reduciéndose las pérdidas que significan las conducciones, en cascada, hasta el condensador.
Como resumen se puede concluir que las centrales eléctricas a intemperie, los ciclos cerrados pueden interesar para evitar las estructuras soportes del desgasificador. En el caso de que existan edificios, se imponen las ventajas del desgasificador que, además, aporta ventajas operacionales.
7. Posicionamiento de las bombas de agua de alimentación dentro del ciclo:
La posición seleccionada para colocar en el ciclo las bombas de agua de alimentación tiene su impacto. Si las colocamos en una posición en la que la temperatura del agua de alimentación sea mayor, por culpa de los calentadores, más consumirán sus accinamientos y mayor consumo específico y peor rendimiento tendrá la planta. Lo indicado no será muy diferente para los diferentes tipos de accionamientos posibles.
BOMBA AGUA ALIMENTACION EN DOS ETAPAS
Un sistema partido de agua de alimentación tiene una o dos bombas, en la que un cierto número de etapas impulsan el agua hacia los calentadores, para luego volver a la bomba, y el resto de etapas lo hacen hacia la caldera. Con esta disposición el coste de los calentadores tienen menor, ya que no tienen que soportar y estar diseñado para toda la presión de la caldera y para la presión de la bomba a caudal nulo. Esta disposición, aunque usada, fue abandonada por los inconvenientes y complicaciones que representa, por cuanto existen importantes tensiones térmicas en la carcasa, al soportar diferentes temperaturas y diferentes tensiones mecánicas, que se originan por las dobles tubuladuras de aspiración y de impulsión.Además, el principal problema proviene de las complicaciones operativas que se originan, al precisarse válvulas de retención en las aspiraciones con objeto de evitar, cuando actuan dos bombas en paralelo y una de ellas para, que el agua de mayor presión y temperatura en la bomba que para se vaporice al escapar por los internos de la bomba hacia la parte de menor presión. En el caso de producción de vapor, este desalojaría y vaciaría la aspiración que no se ha parado. Además, el fenómeno descrito se reforzaría hasta que no se cerrase la válvula A del esquema dibujado, por lo que se hace necesario las válvulas de retención en las aspiraciones y las válvulas que hemos denominado B en el esquema adjunto.Para evitar que arranque la bomba con agua caliente debe hacerse el by-pass del calentador antes de la parada de la bomba. No obstante, si la parada de la no ha estado programada, el by-pass debe de hacerse lo antes posible para, seguidamente, realizar su venteo antes de su posterior arranque y evitar el hacerlo con agua a alta temperatura. La solución de bombeo partido, a menos que se use una solution tanden, se precisan más accionamientos, eso sí de menores dimensiones, que no significan, económicamente, mucho coste, si son motores eléctricos, pero sí significan un coste importante si los accionamientos son turbobombas o se hace desde el eje del turbogrupo. El arranque debe de hacerse teniendo hecho el by-pass al calentador.En resumen, el sistema de agua de alimentación partido resulta ser muy complicado y es esta la causa de que haya sido prácticamente abandonado. También, si se necesitan variadores de velocidad, no afecta económicamente al caso de accionamiento con turbobombas pero, al resto de casos, si lo afecta, al necesitarse que sean dobles y esto hace que,
8. Últimos factores que afectan a la selección de las bombas de agua de alimentación:
Existen dos últimos factores, que son, desde cualquier punto de vista, de naturaleza lógica:
– El primero de ellos es el precio de compra conseguible en las negociaciones que se lleven a cabo.
– El segundo de ellos se refiere a la evolución del estado del arte en el diseño, ya que, cualquier decisión, tomada hoy, podría modificarse con los datos de mañana.
- FACTORES EXTERNOS E INTERNOS QUE AFECTAN AL NUMERO DE BOMBAS:
1. Fiabilidad de la bomba y del sistema:
Un aumento en la fiabilidad de las bombas de agua de alimentación unido a un deseo natural de reducir los costes de inversión han ido modificando, con el tiempo, su número y reservas. El resultado se puede resumir en las siguientes cifras:
La capacidad adicional necesaria de reserva para poder compensar un 1% en la tasa de parada forzosa de las bombas, que equivale a un incremento del 1% en la tasa de parada forzosa de la planta, se necesitaría la siguiente capacidad adicional de reserva:
– 4% de incremento de la capacidad de reserva en el caso de una bomba del 100%.
-!, 62% de incremento de la capacidad de reserva en el caso de una bomba del 100% + 1 bomba del 50%.
– 3,21% de incremento de la capacidad de reserva en el caso de 2 bombas del 50%.
– 0,048% de incremento de la capacidad de reserva en el caso de 3 bombas del 50%.
Mucho más que centrarse en la tasa de parada de la unidad conviene fijarse en el buen funcionamiento del sistema eléctrico ya que, si, en situaciones de demanda pico, el sistema suficiente margen de potencia y existen convenios entre unidades, en este caso, el disponer de solo una sola del 100% puede ser una buena solución. En el caso de no ser así, el fallo de la única bomba puede representar un grave problema para la planta, cosa que se solucionaría parcialmente con una bomba del 100% y una del 50% que, en caso del fallo de la grande, permitiría poder producir del orden del 60% de la capacidad de la planta, usando la de reserva.
De todas formas, las típicas disposiciones en las bombas de agua de alimentación son las siguientes:
- Tres de igual tamaño, todas ellas accionadas por turbinas o dos con turbinas y una con motor.
- Dos de igual tamaño accionadas por turbinas y una bomba de arranque.
- Dos de igual tamaño una accionada por turbina y otra por motor.
- Dos de igual tamaño, del 50%, ambas accionadas por motor.
- Una accionada por el eje del turbogrupo y una de alta velocidad accionada con turbina o motor.
- Una turbobomba del 100% y motobomba de arranque que se puede usar de alimentación (60% de capacidad).
- Dos motobombas con variador de velocidad.
Respecto a los márgenes de diseño de las bombas de agua de alimentación es aconsejable tomarlo del 8%, cifra suficiente para compensar la pérdida de capacidad por desgaste de los internos y para hacer frente a las oscilaciones de nivelen el calderín trás un repentino cierre de las válvulas de admisión a la turbina de vapor. Un margen mayor sería un desperdicio de energía, por laminación de flujo de agua de alimentación que esto supone, a pesar de que existieran variadores de velocidad en las bombas. Por otro lado, un mayor margen que el recomendado reperesenta la ventaja de que, en caso de que no exista bomba de reserva y fallen una de las principales, existía mayor margen, aunque poco significativo, para hacer frente a una situación de emergencia
Conviene reflexionar sobre cual es la mejor solución en cuanto a reservas y capacidades de las bombas de agua de alimentación: ¿conviene instalar una sola bomba del 100% de capacidad, dos bombas del 50% de capacidad o dos bombas del 50% más una del 50% de reserva ?.
En cuanto a una bomba de reserva completa, puede sustituirse por solo la compra de un conjunto completo de partes internas. Si la decisión es una bomba completa de reserva, los repuestos a comprar deberán ceñirse a solo las partes internas desgastables (anillos, etc.). De cualquier forma, la pérdida de holguras en los internos es un proceso largo que permite una sustitución programable y con garantías.
Respecto a la decisión entre una bomba del 100% o dos del 50% debe estar basado en la previsión de funcionamiento de la planta. Si la previsión es de carga en base, a plena, a falta en un estudio económico en detalle, es preferible, como ya hemos indicado, una bomba única, ya que su carga será mayor que el resultado de dos bombas. Por otra parte, si el número de horas a baja es importante, las dos bombas, funcionando solo una de ellas, es la mejor solución y la más eficiente, aunque esto es teórico ya que, en la práctica, por miedo a inesperadas subidas de carga, los operadores pueden mantener las dos operando innecesariamente.La mejor práctica operativa es funcionar con solo una bomba y la otra con las válvulas abiertas ya temperatura caliente para estar dispuesta a arrancar de inmediato cuando se necesite. Si se paran dos bombas, se debe estar vigilante respecto a la capacidad del motor y respecto al NPSH, aunque, respecto a la capacidad del motor, se debe contar con el factor de servicio que tiene el motor diseñado para cuando una bomba se queda funcionando sola y producir el máximo caudal posible, respecto al NPSH, se debe ser estricto en cuanto al cumplimiento con lo demandado en esas condiciones.El arranque se podría hacer en automático, mediante un presostato que actuaría y arrancaría la bomba parada cuando la presión en el colector de impulsión alcanza un valor ligeramente por encima del punto de corte de la curva del sistema y la curva característica de la bomba. Sin embargo, la parada de la bomba se debe hacer manualmente. mediante un presostato que actuaría y arrancaría la bomba parada cuando la presión en el colector de impulsión alcanza un valor ligeramente por encima del punto de corte de la curva del sistema y la curva característica de la bomba. Sin embargo, la parada de la bomba se debe hacer manualmente.Si se paran dos bombas, se debe estar vigilante respecto a la capacidad del motor y respecto al NPSH, aunque, respecto a la capacidad del motor, se debe contar con el factor de servicio que tiene el motor diseñado para cuando una bomba se queda funcionando sola y producir el máximo caudal posible, respecto al NPSH, se debe ser estricto en cuanto al cumplimiento con lo demandado en esas condiciones. la parada de la bomba se debe hacer manualmente.mediante un presostato que actuaría y arrancaría la bomba parada cuando la presión en el colector de impulsión alcanza un valor ligeramente por encima del punto de corte de la curva del sistema y la curva característica de la bomba. Sin embargo, la parada de la bomba se debe hacer manualmente.Si se paran dos bombas, se debe estar vigilante respecto a la capacidad del motor y respecto al NPSH, aunque, respecto a la capacidad del motor, se debe contar con el factor de servicio que tiene el motor diseñado para cuando una bomba se queda funcionando sola y producir el máximo caudal posible, respecto al NPSH, se debe ser estricto en cuanto al cumplimiento con lo demandado en esas condiciones. Si se paran dos bombas, se debe estar vigilante respecto a la capacidad del motor y respecto al NPSH, aunque, respecto a la capacidad del motor, se debe contar con el factor de servicio que tiene el motor diseñado para cuando una bomba se queda funcionando sola y producir el máximo caudal posible, respecto al NPSH, se debe ser estricto en cuanto al cumplimiento con lo demandado en esas condiciones.la parada de la bomba se debe hacer manualmente. Si se paran dos bombas, se debe estar vigilante respecto a la capacidad del motor y respecto al NPSH, aunque, respecto a la capacidad del motor, se debe contar con el factor de servicio que tiene el motor diseñado para cuando una bomba se queda funcionando sola y producir el máximo caudal posible, respecto al NPSH, se debe ser estricto en cuanto al cumplimiento con lo demandado en esas condiciones.
DISPOSICION BOMBAS AGUA ALIMENTACION
2. Bomba de agua de alimentación de reserva:
La existencia de la segunda bomba es un compromiso entre el mayor riesgo de indisponibilidad de la planta y el mayor coste de inversión por la redundancia. No obstante, reglamentariamente, el Código ASME exige una bomba en reserva que permita suministrar caudal contra una presión superior en un 6% a la presión de ajuste de la válvula de seguridad del calderín. En sentido estricto bomba, solamente se requiere una redundante en aquellas plantas que las bombas principales de agua de alimentación son accionadas directamente por el eje del turbogrupo. El fenómeno se produce por el cierre de las válvulas de admisión a la turbina que provocan una subida de presión en el calderín y la consecuente formación de burbujas y, consecuentemente, la bajada de nivel dentro de él.En el caso de disparo de la planta, se debe de poder hacer el arranque en caliente teniendo en cuenta que se produce una bajada de nivel del calderín que, de no contrarestarse alimentando agua, produciría el disparo del combustible y el de la planta.Para compensar el nivel, se debe poder seguir alimentando el calderín bien con una bomba de reserva o desde un colector de agua de alimentación de otra unidad u otra planta cercana.
Salvo el caso citado, no se requiere, operativamente, una bomba de reserva y, por tanto, existen plantas con solo una bomba del 100%, en donde el requerimiento del Código ASME, al no cuantificar el caudal de reserva solo que pueda dar caudal , se puede cumplir la prescripción con la existencia de la bomba para la prueba hidraúlica o con la bomba de suministro de agua de cierre para las bombas de circulación de la caldera (si existen).
La existencia de una bomba de reserva del 100% o menos, es cuestión del diseñador, que debe de tener en cuenta todos los factores que afectarían a la planta en particular. Por ello, no se puede preestablecer un criterio fijo.
Respecto a la interpretación del requerimiento del Código ASME como que debe existir reserva del 100% con un exceso de presión del 6%, es una exageración, ya que, en condiciones normales, obliga a generar pérdidas por laminación o funcionar, normalmente, a más bajas velocidades y con peor eficiencia. Si se interpreta como dar menor caudal para el exceso de presión, esta condición se daría con otra bomba más pequeña de reserva (desplazamiento positivo) u otra bomba de agua de alimentación que funcione a menos caudal que el nominal, ya que esa disposición permitiría dar hasta un exceso de presión de hasta el 15% a caudal nulo (según sea la curva característica de la bomba).
- FACTORES EXTERNOS E INTERNOS QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE LAS BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN:
El tener que ir con velocidades tan altas en las bombas de agua de alimentación (5.000-9.000 rpm), superando las 3.600 rpm del motor asíncrono de dos polos (60cps) o 3.000 rpm (50 cps), tiene la siguiente justificación:
- Cuanto mayor velocidad mayor puede ser la altura por etapa conseguible y, por tanto, menor número de etapas se necesitan y la longitud de la bomba será menor, será más robusta, más rígida y se pueden conseguir unas mayores holguras internas, ya que la deflacción del eje será menor. En suma, una máquina más fiable.También resulta ser el diámetro del rodete menor y, como consecuencia, menores los esfuerzos mecánicos sobre carcasa y pernos.
- Al ser mayor la velocidad, es más fácilmente acoplable la turbina auxiliar de accionamiento y la bomba y, además, puede hacerse directamente.
- Existe mayor facilidad de standarización ya que un mismo tipo de bomba abarca un mayor rango, con solo un ligero aumento de la velocidad. Como resultado, existe una mayor facilidad de intercambiabilidad y existencia de repuestos.
- En las calderas supercríticas solo se pueden usar bombas de alta velocidad.
- Los problemas operacionales son más extraños al poder tener mayores holguras entre los internos de las bombas.
Para conseguir altas velocidades hubo que acudir a mejores materiales aleados (con alto contenido en cromo) para resistir la erosión a altas velocidades y, también, desarrollar cierres mecánicos adecuados, ya que los de empaquetaduras no resisten.
Por otro lado, las altas velocidades obligan a mayores requerimientos de NPSH, existiendo, para caudal y velocidad, unas recomendaciones límites del Hydraulic Institute Standard.
Como solución a las mayores exigencias de NPSH, existe la alternativa de la bomba booster, que permite situar más bajo los desgasifigadores y tanques de agua de alimentación, permite más cortas de aspiración en las bombas y facilita el comportamiento ante los transitorios por variaciones de carga de la planta. La situación del desgasificador a un más bajo nivel, puede permitir que se llegue a prescindir de las bombas de evacuación de drenajes desde los calentadores al desgasificador.
BOMBA BOOSTER Y PRINCIPAL
Respecto al posicionamiento de la bomba booster, puede hacerse directamente (3000 rpm) en un lado del motor y, en el otro, a la bomba principal, a través de un reductor multiplicador. Si existe turbina auxiliar de accionamiento, la booster precisa ser accionada por un motor. Otra disposición posible es como extensión de la bomba principal, más allá de su cojinete de empuje, y, a través de un reductor, situar la bomba booster. El inconveniente de esta organización es que, en caso de revisión de la booster, se precisa desmontar la principal y, además, no es posible arrancar la unidad con solo la bomba booster. Si existiera un accionamiento independiente para la booster y falla su alimentación, hasta su reposición, se podría, si lo permite la bomba principal,A veces, raramente, la turbina auxiliar acciona la bomba booster a través de un reductor. funcionar en condiciones de cavitación. No obstante, si existiese un variador de velocidad y falla la alimentación a la booster, se puede solventar el bajo NPSH disponible bajando, manualmente, el número de revoluciones, hasta que quede repuesta la alimentación a la booster.
- FACTORES EXTERNOS E INTERNOS QUE AFECTAN AL ACCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN:
Las decisiones sobre las bombas de agua de alimentación, abarca desde el número de ellas, al tipo de accionamiento (motor, turbina auxiliar y turbogrupo) y, por último, a la posibilidad de variador de velocidad. En este apartado nos detendremos en el tema del tipo de accionamiento:
- Motor eléctrico:
Ha sido el accionamiento preferido teniendo en cuenta su fiabilidad y su larga experiencia. La forma de introducir la variación de velocidad ha sido, preferiblemente, mediante el variador con fluido intermedio, aunque hay referencias de acoplamiento con variación de velocidad por “corrientes parásitas” o con motor con anillo partido.
VARIADOR DE VELOCIDAD TIPO HIDRAULICO
Otra importante ventaja del motor eléctrico es la posibilidad de usar dos bombas del 50% de capacidad, en vez de una única bomba del 100% con turbobomba, sobre todo con bajas (menos de 200 Mw) potencias, en donde lo único que puede ser competitivo es una única turbina auxiliar. Hoy día, la experiencia en turbina auxiliar es tan grande, que se puede considerar igualmente fiable que los motores eléctricos, que, a veces, se han visto respaldados con un motor de repuesto para fiabilizar la disposición de dos motobombas del 50%. Los motores eléctricos tienen el inconveniente del tamaño, que está limitado en coste y viabilidad tanto por el propio equipo como por el auxiliar, debido a cuestiones de intensidad de arranque.
Al motor le afecta y lo hacen más vulnerable, las oscilaciones de frecuencia de la red, mientras que esta situación no ocurre en las turbobombas. Si la bomba es de alta velocidad, hay que ir a motores de 4 polos, con lo que, en esta situación, es más fácil ir a otro tipo de variador (electrónico).
Las bombas accionadas por el eje del turbogrupo disponen también de variadores de velocidad, tipo hidráulico.
No obstante, el variador de velocidad en todos los casos implica pérdidas debido al deslizamiento entre el motor y la bomba, debido a lo cual, esta última, gira a menor velocidad. Como por otra parte, se toma siempre un margen de seguridad en el diseño, en cuanto a caudal y altura, para alcanzar esas condiciones hay que girar a mayor velocidad el motor ya menor velocidad la bomba, produciendo unas pérdidas que pueden alcanzar el 12% (equiparable a un deslizamiento de esa magnitud).
Con el cada vez mayor tamaño de la capacidad de las calderas y sus mayores presiones (supercríticas), se precisan cada vez mayores bombas y, por tanto, mayores potencias en sus motores. Lo que pasa es que, cuanto mayores sean los motores, mayores intensidades de arranque se producen, llegandose a casos en los que se producen hasta 600 veces la intensidad nominal en ese momento. También, a veces, para motores de mucha potencia, se usa la disposición de acoplamiento al turbogrupo a través de un variador de velocidad.Esta es la razón fundamental por la que cada vez se usa más turbobombas. Incluso, a veces, se usan dos motores en serie con variador de velocidad, arrancandose con un solo motor hasta la velocidad de régimen, momento en el que se arranca el segundo motor y se acopla a la bomba utilizando el variador.
2. Turbobomba. Sus ventajas son las siguientes:
– Aumento de la potencia neta de la planta.
– Integración de la turbobomba con el resto del ciclo, mejorando el consumo neto específico.
– Reducir el tamaño del sistema eléctrico auxiliar (trasformadores, cabinas, cables, etc.)
– Elimina problemas de arranque (alta intensidad).
– Aunque la frecuencia de la red eléctrica caiga, no afecta a la velocidad de la bomba.
– No se requieren reductores para adaptar el accionamiento a la velocidad de la bomba.
– No se requieren variadores de velocidad y, por tanto, se reducen las pérdidas por deslizamiento.
-El margen de capacidad dado a la bomba puede ser eliminado, ya que el aumento de velocidad puede compensar el desgaste de las holguras de los internos de la bomba.
– El retorno del escape de la turbobomba al desgasificador reduce los problemas de transitorios por caida brusca de potencia.
– Si existe motobomba “booster”, ésta puede usarse para realizar el arranque de la caldera cuando no existe vapor.
– Si existe caldera auxiliar, se elimina la necesidad de motobomba auxiliar para el arranque, sobre todo en calderas del tipo “once through” (sin calderín).
– Se elimina la necesidad de una motobomba de arranque rápido en caliente frente a la alternativa de bomba accionada directamente por el eje del turbogrupo.
TURBOBOMBA DE AA Y BOOSTER
La turbina auxiliar de la turbobomba, puede operar en contrapresión, o tener condensador propio o usar el condensador principal. También puede tener extracciones internas. ya que existen posibilidades de mejorar el consumo específico de la planta. Se deben estudiar todas las disposiciones posibles, destacando las ventajas siguientes:
- El uso del recalentado frío, como alimentación de vapor a la turbobomba, reduce su caudal y, por tanto, aumenta el tamaño y la inversión en recalentado.
- El uso de vapor sobrecalentado como alimentación de vapor desde una extracción reduce el tamaño de la parte de desrecalentamiento de los calentadores.
- El uso de vapor directamente desde una extracción de la turbina de vapor principal, reduce su coste y simplifica el diseño.
- La condensación del escape significa una mejora de eficiencia frente al empleo de la contrapresión y, además, reduce las pérdidas.
El 50% de las turbobombas utilizan virador a bajas velocidades, para evitar el combado del eje de la turbina y, el otro 50%, no lo utiliza
3. Accionamiento directo por el eje del turbogrupo:
En esta solución la velocidad de la bomba está costreñida por la velocidad de sincronismo del alternador, precisandose un reductor multiplicador para mayores velocidades.
Se ha discutido mucho, y se sigue haciendolo todavía, sobre la conveniencia de esta solución frente a la de la turbobomba auxiliar e independiente. Una solución podría ser una mezcla, una bomba del 50% accionado por el eje del turbogrupo y, otra, por tubobomba auxiliar.
4. Resumen, mediante una valoración cualitativa, de los diferentes tipos de accionamiento de las Bombas de Agua de Alimentación:
- Por encima de potencias de grupo superiores a 200 Mw – 250 Mw, la solución más favorable es una turbina auxiliar de accionamiento frente a la solución de dos motobombas o la del accionamiento directo por el eje del turbogrupo y motobomba de arranque en caliente.
- Por encima de 250 Mw de potencia de grupo, la solución de regulación de caudal por variador de velocidad es más interesante que por laminación con válvula de control.
- Para potencias de grupo superiores a 250 Mw- 275 Mw, el accionamiento por motor no es interesante.
- Por encima de 300 Mw de potencia de planta, la elección está entre turbobomba y accionamiento directo por el eje del turbogrupo. En alguna ocasión se ha elegido, para mayores de 500 Mw, la solution de turbobomba del 50% y otra del 50% accinada directamente por el eje del turbogrupo.
- La decisión entre turbobomba y accionamiento directo desde el eje del turbogrupo no está clara y debe hacerse con mucho cuidado y detalle.
1: Motobomba sin variador; 2: Motobomba con variador; 3: Turbobomba; 4: Accionamiento turbogrupo
Comparación Cualitativa
1 2 3 4
Potencia neta Base Base Más alta Más alta
Consumo específico: Base Más bajo El mejor Mejor
Velocidad variable: No Si Si Si con variador
Adaptación mayor velocidad: Con reductor Con reductor El mejor Con reductor
Necesidad bomba repuesto: No No No Si
Requerimiento espacio: Base Mayor Igual base Menor
Protección transitorios: No No Si No
Coste sistemas auxiliares: Base Base Más bajo Más bajo
Problemas de arranque: Base Base Ninguno Ninguno
Capital total: Base Mayor Más bajo El más bajo
5. Puntos evaluables, en una comparación de alternativas, en cuanto al tipo de accionamiento:
- Bomba y repuestos de los internos (35% coste bomba): Los repuestos pueden ser compartidos.
- Motor y repuestos:
- Turbinas auxiliares:
- Bomba de arranque y repuesto.
- Motor bomba de arranque y repuesto.
- Reductores bombas principales y arranque.
- Bombas “booster”.
- Motores bombas “booster”.
- Estructura para soporte del desgasificador y tuberías.
- Sistemas de tubería con bombas.
- Cimentaciones.
- Condensador, cuando sea necesario.
- Coste incremental por el aumento de capacidad del turbogrupo para dar la misma potencia neta.
- Modificación eje del turbogrupo para accionamiento bomba.
- Variador y repuestos si requerido.
- Equipo eléctrico auxiliar por las motobombas.
- Coste montaje bombas y accionamientos.
- Controles extras por los motores.
- Suma todos los costes.
- Créditos o débitos por consumo específico.
- Coste total.
Cuando existe turbobomba o variador de velocidad no hay que contar con diseñar los calentadores de alta presión a la presión de caudal cero. No obstante, si solo hay un variador de velocidad (no redundancia) si hay que diseñar los calentadores para la presión a caudal cero.
Cuando se usen reductores – mutiplicadores, se debe diseñar una bomba a su máxima velocidad posible y compatible con la velocidad específica, ajustando la velocidad a las condiciones necesarias, compatible también con las condiciones hidráulicas y limitación de los materiales.
Las turbinas auxiliares con contrapresión permiten más altas velocidades que con condensadores, que a veces requieren bombas más caras y menos eficientes.
La fiabilidad de una bomba dependiente del diámetro del eje, de su longitud y de sus holguras internas. La existencia de dos bombas, en vez de una, no lleva implícito mayor fiabilidad. A mayor velocidad de la bomba mayor fiabilidad, pues se reduce el número de etapas y la longitud del eje.
En el caso de bomba accionada por el eje del turbogrupo se han detectado problemas en la bomba por defecto de calentamiento previo antes de introducir el virador. Sin embargo, no se han detectado problemas en el turbogrupo a causa de la bomba.
En los estudios de comparación económica de alternativas, se debe de desconfiar del caso con diferencias que suponenen mayores costes que los de los propios equipos. Diferencias económicas del 10% deben considerar que se correspondan con alternativas iguales, ya que los cambios tecnológicos e inflación, en sí mismos, representan una incertidumbre de ese mismo grado de magnitud.
Para Igor Karassik, la solución óptima (mayor eficiencia, simplicidad, flexibilidad y economía) de bombas de agua de alimentación es la del 100%, accionada por turbobomba y con contrapresión.
Si existe corte instantáneo de combustible en calderas de carbón gas o fuel-oil, se permite que exista solo una fuente de agua de alimentación ya que, si se deja de alimentar agua, no se acumulará calor suficiente como para causar daño.
6. Curvas características de las bombas de agua de alimentación:
FAMILIA DE CURVAS BOMBA PARA DIFERENTES DIAMETROS (VELOCIDADES)
La curva caudal / altura debe tener forma de subida continua, sin interrupciones, desde cero caudal, en donde el TDH no debe de ser menor del 120% ni mayor del 130% del de diseño.
Las bombas deben de poder trabajar en paralelo desde el caudal mínimo hasta el correspondiente al “run-out”, con igual repartición de carga y sin vibraciones, pulsaciones de presión, oscilaciones, cavitación y otros efectos indeseados. Deben poder funcionar en paralelo, ilimitadamente, al mismo caudal y las desviaciones de forma entre curvas características deben ser mínimas y dentro de tolerancias.
La prueba en fábrica para determinar la curva característica se debe hacer, como mínimo, en 8 puntos espaciados en iguales incrementos de caudal. No se podrá, en la curva que se obtiene, ni inflexiones ni caidas de TDH.
Se debe distinguir y señalar el mínimo caudal de recirculación y el mínimo que es seguro para funcionar por periodos de tiempos largos.
La medida de eficiencia de la bomba se hará en taller ya que, en campo, es difícil hacerla. Si se usan las correcciones y extrapolaciones señaladas en el HIS (Hydraulic Institute Standars) pueden obtenerse resultados exagerados (corrección por velocidad, temperatura y tamaño).
Además de la eficiencia, debe de tenerse en cuenta la fiabilidad de la bomba ya que, a bajos caudales oa cargas parciales, es cuando más falla la bomba y se debe de estar seguro de la estabilidad hidráulica en esas situaciones.
La fórmula de corrección por temperatura, que ofrece el HIS, de la eficiencia de una bomba, puede dar errores de hasta el 3%.
Debido a la alta energía del fluido, bombas, diseñadas para altos TDH por etapa, son más sensibles a la cavitación y la erosión. Por encima de 2.000 pies por etapa existen pocas bombas, están sometidas a riesgos de cavitación y vibración en la primera etapa. Estos son los casos en los que se debe instalar una bomba “booster”.
El caudal mínimo de recirculación tiene, de forma general en bombas, el objetivo de evitar el calentamiento excesivo a bajos caudales y bajas eficiencias. No obstante, en las bombas de agua de alimentación, el criterio de mínimo caudal está fijado por el funcionamiento en zona de inestabilidad hidráulica, es decir en las zonas de curva característica plana o con forma de S. El funcionamiento en zona inestable puede alterar la presión de descarga, aunque no existe “standard” para aceptar o no una prueba en taller. No obstante, se suele aceptar, cuando midiendo presión, se obtiene un valor por etapa que no excede el 3% del de diseño.
- OTROS FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO CONCEPTUAL DE UNA NUEVA PLANTA DE PRODUCCIÓN TERMOELECTRICA:
Hemos indicado, hasta este momento, aquellos factores, comercialmente disponibles y probados en la actualidad, que pueden ser objeto de un estudio de alternativas en la fase conceptual de un proyecto. Para una planta existente, su implantación es algo más complicado ya que se trataría de modificar los equipos dentro de un limitado espacio disponible, algo que, salvo casos muy excepcionales, no sería posible. Aparte de los comercialmente maduros, existen otros factores avanzados que podrían ser considerados en el diseño conceptual de una nueva central termoeléctrica y que constituyen promesas, casi comerciales. Los principales factores son:
- Doble recalentado.
- Calentadores de agua de alimentación adicionales.
- Empleo de vapor a más alta condiciones de presión (supercrítica) y temperatura (560 ºC – 590 ºC).
- Escape optimizado en salida turbina y condensador.
- Hogares presurizados.
- Aumento de la eficiencia en los internos de la turbina de vapor y en el alternador.
- Operación a presión deslizante.
- Recalentado regenerativo de los gases de escape de la caldera.
Mi última reflexión es sobre las posibilidades de mejoras en el ciclo agua – vapor de plantas existentes, yo estoy seguro que, en cualquier planta, algo se puede hacer, lo que pasa es que no existen mejoras normalizadas y, si existen, como las que hemos citado, no resultan viables económicamente, por el tiempo que se precisa para implantarlas y el lucro cesante que significan. La oportunidad que puede representar una parada programada de larga duración, necesaria para la materialización un plan de alargamiento de vida o para el cambio de combustible y / o mejora mandatoria de adaptación medioambiental, puede que signifique el hacer viable algo que anteriormente no lo era.
PROYECTOS INDUSTRIALES 