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Los daños que pueden ocurrir en los generadores de vapor debido a la entrada de contaminantes durante el funcionamiento normal son un tema de mucha discusión.

Por Brad Buecker, editor colaborador y Dan Dixon, ingeniero de proyectos, Lincoln Electric System

Nota del autor: Muchos operadores y personal técnico de centrales eléctricas generadoras de vapor son conscientes de que las alteraciones químicas durante el funcionamiento normal pueden causar daños graves a las calderas, los sistemas de vapor y las turbinas. Las altas temperaturas y presiones magnifican enormemente los efectos del ingreso de impurezas. Sin embargo, a menudo se pasa por alto el daño grave que puede ocurrir durante las paradas y posteriores arranques. Los ciclos de carga son ahora algo habitual en la industria energética, donde muchas unidades siguen las oscilaciones de carga generadas por fuentes renovables. Lo que agrava el problema es la proliferación de unidades de ciclo combinado como sustitutos de las plantas de carbón. El ciclo de estas unidades es básicamente un procedimiento estándar en muchas plantas.

En 2012, fui coautor de un artículo sobre el control químico de puesta en marcha y colocación de HRSG con Dan Dixon, anteriormente de Lincoln Electric System y ahora del Electric Power Research Institute (EPRI). Las ideas presentadas en ese artículo siguen siendo bastante válidas, por lo que se vuelve a publicar en el sitio web de Power Engineering. Tenga en cuenta que cada unidad es diferente, por lo que los conceptos descritos en el artículo deben evaluarse caso por caso y siempre teniendo en cuenta la seguridad.

Los daños que pueden ocurrir en los generadores de vapor debido a la entrada de contaminantes durante el funcionamiento normal son un tema de mucha discusión. Sin embargo, es posible que se produzcan daños muy graves en sistemas que se encienden y apagan pero no se apagan, guardan o arrancan correctamente. Las centrales de ciclo combinado son especialmente susceptibles a estos problemas debido a los numerosos arranques y paradas habituales. Este artículo examina las cuestiones más importantes con respecto a la química fuera de línea.

Tanto los generadores de vapor convencionales como los de recuperación de calor (HRSG) son un complejo laberinto de tuberías de pared de agua, tuberías de sobrecalentador y recalentador, tambores de caldera y otros equipos. Cuando una unidad se desconecta debido a requisitos de carga reducidos u otros problemas, el volumen del agua dentro de los circuitos se contrae. Esta reducción de volumen induce un ligero vacío dentro del sistema, que a su vez aspira aire exterior. Ahora se ha establecido una condición de estancamiento con saturación de oxígeno, al menos en las interfaces agua-aire.

El ataque de oxígeno puede ser extremadamente grave por varias razones. El propio mecanismo de corrosión puede inducir una pérdida grave de metal en aquellas zonas de alta concentración de oxígeno.

El ataque a menudo toma la forma de picaduras, donde la corrosión concentrada puede causar penetración a través de las paredes y fallas del equipo en un corto período de tiempo. También es de gran importancia que el ataque de oxígeno fuera de línea generará productos de corrosión que luego se trasladarán al generador de vapor durante los arranques. La deposición de óxidos de hierro en los tubos de las paredes de agua conduce a una pérdida de eficiencia térmica y, lo que es más importante, crea sitios para la corrosión debajo del depósito. Estos mecanismos pueden incluir daños muy insidiosos por hidrógeno, [1] corrosión por fosfato ácido en unidades tratadas inadecuadamente y ranuras cáusticas.

Otro método por el cual el oxígeno puede infiltrarse en los generadores de vapor es durante el arranque, cuando se necesita condensado almacenado o agua fresca desmineralizada para llenar o completar la caldera. Muy a menudo, el agua de alta pureza se almacena en tanques de almacenamiento con ventilación atmosférica. El agua absorbe oxígeno y dióxido de carbono e incluso puede saturarse con estos químicos. Cuando el maquillaje se inyecta en un generador de vapor frío, se producirá un ataque adicional.

En la planta de ciclo combinado Terry Bundy de Lincoln Electric System (LES), el personal de servicios públicos ha implementado varias de las técnicas más efectivas para prevenir el ingreso de oxígeno y la corrosión. Examinaremos estas técnicas además de algunas alternativas que también pueden ser efectivas.

Lo primero y más importante es la cobertura de nitrógeno durante las últimas etapas de parada y posteriores paradas de corta duración. La experiencia ha demostrado que la introducción de nitrógeno en puntos clave del sistema antes de que la presión haya disminuido por completo minimizará la entrada de aire. Luego, a medida que el sistema continúa enfriándose, sólo entra nitrógeno, no aire cargado de oxígeno. Los puntos clave para la protección del nitrógeno en los HRSG incluyen el evaporador, el economizador y los circuitos de agua de alimentación.

En Terry Bundy, la energía primaria es producida por dos turbinas de combustión GE LM 6000 y dos HRSG de doble presión Nooter-Eriksen (sin recalentamiento) que alimentan una turbina de vapor de 26 MW. El acondicionamiento del agua de alimentación es un tratamiento totalmente volátil oxidante [AVT(O)], con inyección de hidróxido de amonio para mantener el pH del agua de alimentación dentro de un rango de 9,6 a 10. La química del evaporador de alta presión se basa en las pautas continuas de fosfato de EPRI, con fosfato trisódico como la única especie de fosfato y control dentro de un rango de 1 a 3 partes por millón (ppm). El rango de control de pH del evaporador HP es de 9,5 a 10. Las concentraciones de cáustico libre se mantienen en 1 ppm o menos para minimizar el riesgo de formación de cáusticos.

Tras el funcionamiento inicial de las unidades de ciclo combinado, el personal de la planta descubrió picaduras de oxígeno en uno de los evaporadores de alta presión. El primer paso para mitigar este problema fue la instalación de un sistema de cobertura de nitrógeno en 2005. Una pregunta que surge a menudo es cuál es la mejor manera de almacenar o generar nitrógeno. Ciertamente, se puede obtener mediante botellas de nitrógeno proporcionadas por empresas locales de suministro de gas o de soldadura, y el nitrógeno líquido es otra posibilidad. El personal de LES seleccionó un método diferente: la generación de nitrógeno mediante un sistema de adsorción por cambio de presión (PSA).

El proceso utiliza un tamiz molecular de carbono (CMS) que, cuando se introduce aire comprimido a alta presión, adsorbe oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua, pero permite el paso del nitrógeno. Obviamente, el nitrógeno se puede recoger en receptores para utilizarlo según sea necesario. En un intervalo preseleccionado, se libera presión de la unidad permitiendo que O2, CO2 y H2O se desorban del material, momento en el cual estos gases se expulsan a la atmósfera. La siguiente tabla describe la pureza del nitrógeno de este sistema en función de la tasa de producción.

El generador de N2 Terry Bundy aplica nitrógeno, a una presión de 5 psig, a los tambores LP y HP durante los depósitos húmedos, y el nitrógeno se utiliza para "empujar" agua desde un HRSG durante el drenaje del depósito seco. Se mantiene una presión de nitrógeno de 5 psig durante el depósito en seco, siempre que no se requiera trabajo importante en los tubos. Una de las principales preocupaciones obvias con respecto a la cobertura de nitrógeno, y el razonamiento detrás de su rechazo en algunas plantas, tiene que ver con la seguridad. Por supuesto, el nitrógeno elemental no es venenoso, ya que constituye el 78 por ciento del volumen de nuestra atmósfera. Sin embargo, una persona que ingresa a un espacio confinado donde no se ha purgado el nitrógeno puede desmayarse casi instantáneamente debido a la falta de oxígeno. La muerte puede ocurrir en cuestión de minutos.

Una alternativa a la adsorción por cambio de presión es la separación de gases mediante tecnología de membranas. En estos sistemas, el aire comprimido fluye a lo largo de membranas especiales de fibra hueca. El material permite que el oxígeno y el agua pasen a través de cada membrana, pero el N2 no penetra y puede recogerse en un puerto de salida. La literatura indica que este proceso puede producir nitrógeno puro al 99,5 por ciento.

Otro punto importante con respecto a la química del laminado húmedo es la circulación periódica del agua. Esto minimiza las condiciones de estancamiento que pueden concentrar oxígeno en áreas localizadas y causar picaduras.

Ambos Terry Bundy HRSG tienen sistemas de circulación instalados en los circuitos de alta y baja presión para su uso durante los laminados húmedos. Cada circuito utiliza una de las dos bombas de recirculación de precalentador redundantes, que normalmente están en servicio durante la operación HRSG para mitigar la corrosión del punto de rocío ácido de los circuitos externos. Cada bomba proporciona aproximadamente 100 gpm de flujo por circuito. Se han agregado válvulas y tuberías para permitir una transición perfecta de la circulación de estacionamiento al funcionamiento normal. Hay sistemas de muestra/inyección disponibles para permitir a los operadores probar la química de la capa para determinar el pH y el oxígeno disuelto (usando ampollas colorimétricas) e inyectar hidróxido de amonio si es necesario elevar el pH. Además, las modificaciones realizadas en cada tambor de la caldera permiten que el agua de almacenamiento pase por alto el deflector del tambor, promoviendo la circulación y minimizando los cortocircuitos a través de los bajantes. Por lo general, las bombas se ponen en marcha una vez que la presión del tambor es inferior a 50 psig y permanecen en servicio durante el tiempo de inactividad.

Muy a menudo, el agua desmineralizada se almacena en tanques de almacenamiento con ventilación atmosférica. Por lo tanto, el agua cargada de oxígeno ingresa al generador de vapor durante el funcionamiento normal y, aún más críticamente, durante el funcionamiento de llenado de la caldera. En este último caso, la entrada de agua fría y saturada de oxígeno puede causar graves dificultades. Un posible método para minimizar este problema es limitar la entrada de oxígeno a los tanques de almacenamiento, pero esto suele ser una propuesta difícil. El personal de Terry Bundy seleccionó otra tecnología de membrana de transferencia de gas para tratar el retorno de condensado y el agua de reposición.

El proceso es similar al proceso de membrana de transferencia gas-gas descrito anteriormente, pero en este caso el portador es agua. A medida que el líquido fluye a lo largo de las membranas de fibra hueca del recipiente, los gases atraviesan las paredes de la membrana pero el agua es rechazada. La tecnología es capaz de reducir las concentraciones de oxígeno disuelto a menos de 10 partes por mil millones (ppb). Lo más importante es que el sistema elimina la introducción de aire saturado (donde la concentración de oxígeno puede ser de 7,5 ppm, que es 75 veces el límite recomendado) durante el llenado de la caldera.

Durante mis más de 30 años (del autor Buecker) en la industria eléctrica o afiliado a ella, he visto muchos casos en los que se permitía que el pozo caliente del condensador permaneciera húmedo, o incluso contuviera agua estancada, durante cortes en los que se rompía el vacío del condensador y entraba aire. el condensador y la turbina LP. La combinación de una atmósfera cargada de humedad y los depósitos de sal que se acumulan en las palas de las turbinas LP durante el funcionamiento rutinario puede ser bastante dañina. Dos de los posibles resultados son las picaduras y el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC, por sus siglas en inglés), dos mecanismos muy dañinos.

Un método muy práctico para combatir esta corrosión, y que ha sido adoptado en Terry Bundy, es la inyección de aire desecado al condensador durante todos los períodos de reposo, excepto los de corta duración (<72 horas).

Este sistema es capaz de proporcionar 700 pies cúbicos estándar por minuto (SCFM) de aire a 100°F con un 10 por ciento de humedad al condensador y a la turbina de baja presión. Este flujo puede reducir la humedad relativa de casi el 100 por ciento a menos del 30 por ciento en tan solo unas pocas horas.

En 2005, las inspecciones de los tambores mostraron picaduras importantes. Fue después de esta inspección que se implementaron los cambios descritos anteriormente. Una nueva inspección en 2008 no mostró nuevas picaduras.

El monitoreo del nivel de hierro, mediante recolección de partículas en filtros de 0,45 micras, mostró una disminución significativa en las muestras de la descarga de la bomba de condensado (CPD) y de los tambores LP y HP. Las empresas emergentes más rápidas son ahora algo común. La conductividad catiónica del vapor principal cae dentro de la directriz recomendada (0,2 µS/cm) hasta 1,5 horas antes, y la conductividad catiónica del CPD se mantiene constantemente por debajo de 0,1 µS/cm, mientras que en el pasado podía subir hasta 0,45 µS/cm. Es de gran importancia que las unidades se pueden dejar en reposo húmedo durante períodos prolongados, lo que le ahorra a la planta seis horas (en comparación con el reposo en seco) para alcanzar la carga completa según lo solicite el despachador.

1. Pautas de química de ciclos para el apagado, ajuste y arranque de unidades de ciclo combinado con generadores de vapor con recuperación de calor, EPRI, Palo Alto, CA: 2006, 1010437.