Calderas Supercríticas

Universidad César Vallejo

CALDERAS SUPERCRÍTICAS

I. DEFINICIÓNI.1.El decreto Nº 48/84 define caldera como un recipiente metálico en el

que se genera vapor a presión mediante la acción del calor.I.2.Una definición completa sería: “…Caldera es un recipiente metálico,

cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica.

II. CARACTERÍSTICASII.1. Las centrales supercríticas de alta eficiencia que realizan la

generación eficiente en más del 40% en base del uso de carbón de primera seleccionado, es con el cual se obtiene la mayor eficacia a comparación de otros combustibles que son como fósiles, petróleo, gas natural, etc.

III. PARTES PRINCIPALES DEL CIRCUITOIII.1. Debido a que cada caldera dispone, dependiendo del tipo, de

partes características, es muy difícil atribuir a todas ellas un determinado componente. En razón a lo anterior se analizarán las partes principales de las calderas en forma general, especificando en cada caso el tipo de caldera que dispone de dicho elemento.

III.1.1. HOGAR O FOGONEs el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de Cámara de Combustión.Los hogares se pueden clasificar en:a) Según su ubicación.

- Hogar exterior.- Hogar interior.

b) Según el tipo de combustible.- Hogar para combustible sólido.- Hogar para combustible gaseoso.

c) Según su construcción.- Hogar liso.- Hogar corrugado.

Esta clasificación rige solamente cuando el hogar de la caldera lo compone uno o más tubos a los cuales se les da el nombre de “Tubo Hogar”.

III.1.2. PUERTA HOGAREs una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se echa el combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control del fuego.En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador.

III.1.3. EMPARRILLADOSon piezas metálicas en forma de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del fogón y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del Aire Primario que sirve para que se produzca la combustión.a) Las parrillas deben adaptarse al combustible y deben cumplir

principalmente los siguientes requisitos:- Deben permitir convenientemente el paso del aire.- Deben permitir que caigan las cenizas.- Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez.- Deben impedir que se junte escoria.- Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para

que no quemen o deformen.- Deben ser durables.

Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase agua para refrigerarla y evitar recalentamientos.

b) Tipos de parrilla:- Según su instalación: Fijas o estacionarias: Son aquellas que no se muevan durante

el trabajo. Móviles o rotativas: Son aquellas que van girando o

avanzando mientras se quema el combustible.- Según su posición:- Horizontales- Inclinadas- Escalonadas.

III.1.4. CENICEROEs el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión.En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua.

III.1.5. PUERTA DEL CENICEROAccesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogarCuando se hace limpieza de fuegos o se carga el hogar que dicha puerta permanezca cerrada con el objeto de evitar el retroceso de la llama (”Lengua de Toro”).

III.1.6. ALTAREs un pequeño muro de ladrillo, refractario, ubicado en el hogar extremo opuesto a la puerta del fogón y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm.Los objetivos del altar son:- Impedir que caigan de la parrilla residuos o partículas de

combustible.- Ofrecer resistencia a las llamas y gases para que éstos se

distribuyan en forma pareja a lo ancho de la parrilla y lograr en esta forma una combustión completa.

- Poner resistencia a los gases calientes en su trayecto hacia la chimenea. Con esto se logra que entreguen todo su calor y salgan a la temperatura adecuada.

III.1.7. MAMPOSTERIASe llama mampostería a la construcción de ladrillos refractarios o comunes que tienen como objeto:a) Cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor.b) Guiar los gases y humos calientes en su recorrido.Para mejorar la aislación de la mampostería se dispone, a veces, en sus paredes de espacios huecos (capas de aire) que dificultan el paso del calor.En algunos tipos de calderas se ha eliminado totalmente la mampostería de ladrillo, colocándose solamente aislación térmica en el cuerpo principal y cajas de humos.Para este objeto se utilizan materiales aislantes, tales como lana de vidrio recubierta con planchas metálicas y asbestos.

III.1.8. CONDUCTOS DE HUMOSon los espacios por los cuales circulan los humos y gases calientes de la combustión. De esta forma, se aprovecha el calor entregado por estos para calentar el agua y/o producir vapor.

III.1.9. CAJA DE HUMOCorresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases, después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea.

III.1.10. CHIMENEAEs el conjunto de salida de los gases y humos de la combustión para la atmósfera. Además tiene como función producir el tiro necesario para obtener una adecuada combustión.

III.1.11. REGULADOR DE TIRO O TEMPLADORConsiste en una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma. Tiene por objeto dar mayor o mejor paso a la salida de los gases y humos de la combustión.Este accesorio es accionado por el operador de la caldera para regular la cantidad de aire en la combustión, al permitir aumentar (al abrir) o disminuir (al cerrar) el caudal. Generalmente, se usa una combinación con la puerta del cenicero.

III.1.12. TAPAS DE REGISTRO O PUERTAS DE INSPECCIÓNSon aberturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera.Existen dos tipos, dependiendo de su tamaño:- Las puertas hombre- Las tapas de registro.La puerta hombre por sus dimensiones permite el paso de un hombre al interior de la caldera.Las tapas de registro, por ser de menor tamaño, permiten sólo el paso de un brazo.

III.1.13. PUERTAS DE EXPLOSIÓNSon puertas metálicas con contrapeso o resorte, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión.Sólo son utilizables en calderas que trabajen con combustible líquido o gaseoso.

III.1.14. CAMARA DE AGUAEs el volumen de la caldera que está ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo.

III.1.15. CAMARA DE VAPOREs el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera.Mientras más variable sea el consumo de vapor el volumen de esta cámara.En este espacio o cámara, el vapor debe separarse de las partículas de agua que lleva en suspensión. Por esta razón, algunas calderas tienen un pequeño cilindro en la parte superior de esta cámara, llamada “domo”, y que contribuye a mejorar la calidad del vapor (hacerlo más seco).

III.1.16. CAMARA DE ALIMENTACIÓN DE AGUAEs el espacio comprendido entre los niveles máximo y mínimo de agua.Durante el funcionamiento de la cámara, se encuentra ocupada por agua y/o vapor, según sea donde se encuentre el nivel de agua.

IV. FORMA DE TRABAJOFuncionan mediante la transferencia de calor, producido generalmente al quemarse un combustible, el que se le entrega al agua contenida o que circula dentro de un recipiente metálico.En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:

Zona de liberación de calor u hogar o cámara de combustión:Es el lugar donde se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico.- INTERIOR

El hogar se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua.

- EXTERIORHogar construido fuera del recipiente metálico.Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua.La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama - agua).

a)Zona de tubos:Es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos) transfieren calor al agua principalmente por convección (gases - agua).Está constituida por tubos dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua.

V. VENTAJAS- Menor peso por unidad de potencia generada.- Por tener pequeño volumen de agua en relación a su capacidad de

evaporación, puede ser puesta en marcha rápidamente.- Mayor seguridad para altas presiones.- Mayor eficiencia.- Son inexplosivas.

VI. DESVENTAJAS- Su costo es mayor.- Deben ser alimentadas con agua de gran pureza, ya que las

incrustaciones en el interior de los tubos son, a veces, inaccesibles y pueden provocar roturas de los mismos.

- Debido al pequeño volumen de agua, le es más difícil ajustarse a las grandes variaciones del consumo de vapor, siendo necesario trabajarlas a mayor presión que la necesaria en las industrias.

VII.PRINCIPALES USOS- Las calderas de las centrales supercríticas se caracterizan por generar

vapor por encima de la presión crítica del agua. En la figura 2.3 se observa que por encima de 220.9 bar el fluido experimenta una transición continua desde el estado líquido hasta el estado vapor.

- En cambio, en las calderas subcríticas convencionales, el cambio de fase tiene lugar a la temperatura de saturación, conviviendo así agua líquida y vapor, de propiedades muy diferentes, por lo que se hace necesaria la presencia de un calderín donde se separe el vapor que será enviado al sobrecalentador y el agua líquida que será redirigida al evaporador en las paredes del hogar.

- El punto crítico para el agua se sitúa en la punta del domo y el mismo viene definido por unos valores de presión y temperatura de 220.9 bar y 647.3 K respectivamente. Se aprecia en el diagrama T-s de la figura 2.3 como por debajo del punto crítico el cambio de fase se produce a temperatura constante para cada una de las isobaras. Es decir, hay una mezcla de fases líquido-vapor. La ebullición comienza al alcanzar el flujo la temperatura de saturación mediante la formación de burbujas de vapor en el seno del líquido. A la salida del domo, se ha completado el cambio de fase y el flujo totalmente vaporizado, comenzaría a

sobrecalentarse a presión constante. Esta convivencia de fases que corresponde con el evaporador en la caldera da a lugar a coeficientes de transferencia de calor muy altos. Por el contrario, por encima del punto crítico, el flujo no atraviesa el domo y el cambio de fase se produce de manera suave y equivalentemente las propiedades del mismo varían menos bruscamente de líquido a vapor. En este caso el coeficiente de transferencia de calor es menor que en el proceso subcrítico y además la temperatura no es constante dentro del evaporador.

- Por lo tanto, y como se verá más adelante, la configuración del evaporador en el hogar de caldera es la principal diferencia entre las tecnologías supercrítica y subcrítica. Mientras que para las calderas subcríticas convencionales se utiliza el llamado lazo de evaporación más calderín, para las calderas supercríticas se instalan evaporadores de un solo paso sin calderín (no hay distinción de fases). A lo largo del proceso de evaporación por debajo de la presión típica, el título del vapor generado se limita en torno al 20%, lo que equivale a decir que por el lazo de evaporación circula 5 veces el caudal de vapor principal. De esta manera se consigue una buena refrigeración de los tubos y un alto coeficiente de convección gracias a la presencia de líquido. En cambio, en las calderas de un solo paso, el riesgo de sobrecalentamiento de los tubos es más alto, ya que se produce el secado total del flujo, reduciéndose el coeficiente de convección y por tanto aumentando la temperatura del tubo. De ahí que se requieran materiales más resistentes y un mayor control de caudal por cada tubo para las calderas supercríticas.

- En cuanto al incremento del rendimiento de la caldera, éste es debido al aumento de la temperatura media de absorción de calor. Mientras que en el caso de la caldera subcrítica la temperatura de evaporación es constante, en la caldera supercrítica ésta se incrementa de manera continua, de manera que el promedio es superior.

- A nivel tecnológico, las calderas supercríticas son más complejas aunque presentan una mayor flexibilidad de operación y rapidez de respuesta ante cambios de carga. El sistema de control a presión deslizante se ha impuesto mayoritariamente en las calderas supercríticas modernas, de manera que se obtienen muy buenas eficiencias a cargas parciales. Además, el hecho de trabajar a mayores presiones y con evaporadores de un solo paso posibilita una mayor regulación de este tipo de calderas frente a las calderas subcríticas convencionales, debido principalmente a que estas últimas acumulan mayor cantidad de masa de agua y material. Por lo tanto, las calderas supercríticas son más compactas y esto, unido a la economía de escala que abarata el coste unitario cuanto mayor es el tamaño, permite escalar la planta hasta potencias de 1GWe.

- A continuación se presentan más en detalle los sistemas de circulación agua-vapor, control de caldera y las características específicas de las

calderas supercríticas de un solo paso, principalmente las diferentes configuraciones del evaporador, diseño de tubos y materiales de fabricación.

VIII. DIAGRAMA DE FLUJO

IX. MARCAS DE CALDERAS EN EL MERCADO DE ESTE TIPO KEWANEE KEAT DUTY WATER COOLED REACTOR CALDEMA

X. PREGUNTAS PROPUESTASX.1. ¿Cuáles son los sistemas básicos de control en una caldera?

Describir las funciones básicas de cada una de ellas.a. CONTROL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN. Su objetivo es igualar el

flujo de agua de alimentación con el flujo de vapor, manteniendo un nivel estable en el tambor de vapor durante cargas bajas, altas, o con cambios rápidos, tomando como referencia la producción de vapor y el nivel del tambor.

b. CONTROL DE COMBUSTIÓN. Es el encargado de regular la entrada de combustible para mantener un suministro continuo de vapor a una presión constante, y de regular la entrada de aire a la caldera en proporción correcta a la entrada de combustible.En las calderas de tiro balanceado también regula la extracción o salida de gases de combustión para mantener un tiro constante en el hogar.

c. CONTROL DE TEMPERATURA. Es muy importante en calderas que alimentan turbinas. Aunque se pudiera pensar que entre más falta la temperatura de vapor, mayor eficiencia de la caldera, esto está limitado por la resistencia de los aceros y demás materiales.Para mantener un control efectivo del funcionamiento de la unidad el operador debe tener la siguiente información de los instrumentos y otras fuentes. Nivel del tambor de vapor. Presión de vapor y de agua de alimentación. Temperatura de vapor súper calentado. Tiros y presiones de gases / aire entrando y saliendo de las

principales partes de la caldera. Relación aire / combustible determinada por analizadores de

gases / oxigeno. Temperatura del agua y de los gases de combustión y aire

entrando y saliendo de las principales secciones de la caldera. Flujo de agua de alimentación. Flujo de vapor. Operación de fuegos, hornos y quemadores. Operación de bombas, ventiladores, circuitos de combustible y

equipos de combustión. Conocimiento de cuales operaciones tienen bloqueo, de manera que no puedan efectuarse en forma incorrecta.

Conocimiento de cuales operaciones pueden efectuarse en automático.

X.2. ¿Cómo se evalúa la eficiencia térmica de la caldera?La eficiencia de la caldera corresponde al porcentaje o razón de la cantidad de vapor producido en una caldera a partir de la cantidad de calor administrado por el combustible quemado. La eficiencia de una caldera, es la relación entre la energía absorbida para la evaporación o generación de vapor (Q salida) y la suma de energías introducidas al proceso (Q entrada).

Q salida / Q entrada = EficienciaEl diferencial entre ambos, es la energía perdida del proceso (calor expulsado a la atmósfera).

Q entrada - Q salida = PérdidaUna caldera, en términos genéricos, es un intercambiador de calor ya que por un lado se adiciona fuego y gases de combustión y por el otro lado agua que se calienta y evapora. La eficiencia de la caldera, es la eficiencia del proceso de intercambio de calor.

X.3. ¿En función de qué se determina esta eficiencia?X.4. ¿Cuáles son los pasos mínimos requeridos para el balance

enérgico informal en caldera?X.5. ¿Cómo se determina el calor absorbido en una caldera?X.6. ¿Cómo se determina las pérdidas en una caldera?

XI.