Pilotaje del arranque de la caldera a Lightspeed

May 28, 2023

Muchas centrales eléctricas de ciclo combinado funcionan como plantas de pico, en lugar de como unidades de carga base. Esto puede suponer un problema para las válvulas de seguridad del economizador. Las válvulas de seguridad operadas por piloto ofrecen varias ventajas en comparación con las válvulas de seguridad accionadas por resorte estándar en esta situación.

La industria energética ha sido testigo de una serie de importantes cambios tecnológicos en las últimas décadas, desde una infraestructura del siglo XX dominada por plantas nucleares y alimentadas con carbón hasta el suministro de energía más eficiente y respetuoso con el medio ambiente que existe hoy. Una importante reducción en el costo del gas natural impulsó la rápida aparición de centrales eléctricas de ciclo combinado (CCPP) que producen mayor eficiencia junto con una menor huella de carbono. Durante casi 20 años, las CCPP han sido la tecnología dominante con nuevas construcciones y una capacidad creciente en todo el mundo.

Sin embargo, más recientemente, la reducción de los costos de generación, los plazos de construcción más cortos y los subsidios gubernamentales han dado a las fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, un aumento en la demanda global. El crecimiento desenfrenado de la energía renovable ha reducido drásticamente la demanda de nuevas CCPP. Según la Agencia Internacional de la Energía, 2015 marcó un punto de inflexión para las energías renovables. Lideradas por la energía eólica y solar, las energías renovables representaron más de la mitad de toda la nueva capacidad de energía instalada en todo el mundo ese año, y el crecimiento ha continuado.

El aumento de la capacidad total de oferta del mercado, junto con el menor costo operativo de las energías renovables, ha llevado a la industria energética a transformar muchas CCPP en unidades de “pico” para suministrar energía cuando las fuentes renovables no pueden satisfacer la demanda total, como cuando el sol se pone a las noche. Este cambio en la demanda ha llevado a las CCPP a modificar sus operaciones para lograr una rápida disponibilidad de generación, lo que se traduce en un arranque y apagado más rápidos y una carga cíclica pesada en los equipos principales, como los generadores de vapor con recuperación de calor (HRSG).

Cuando una CCPP entra en funcionamiento, la temperatura del agua de alimentación aumenta a medida que absorbe calor del escape de la turbina de gas a través de un sistema llamado economizador antes de alimentarla al HRSG, donde se transforma completamente en vapor para impulsar la turbina de vapor. El economizador en sí está diseñado como un recipiente a presión encendido y, como tal, el código ASME exige que tenga uno o más dispositivos de alivio de presión en caso de que quede aislado de la caldera y necesite evacuar de forma independiente.

Históricamente, estos dispositivos de alivio de presión han sido válvulas de seguridad directas de tipo casquete cerrado, cargadas por resorte. Estas válvulas de seguridad accionadas por resorte deben estar certificadas según las reglas de la Sección I del Código de recipientes a presión y calderas (BPVC) de ASME, lo que significa que estas válvulas deben diseñarse, probarse y certificarse con vapor como medio fluido. Sin embargo, el fluido de aplicación del economizador suele ser agua a alta temperatura que aún no ha experimentado completamente un cambio de fase a vapor.

Esto presenta una paradoja entre el diseño del código y la ingeniería de aplicaciones adecuadas, ya que los ajustes de vapor requeridos por el código no están diseñados para aliviar aplicaciones líquidas. En muchas instalaciones, estas válvulas de seguridad de vapor accionadas por resorte dan como resultado un escenario de alivio común llamado "charlateo". El chatter es un efecto de vibración inducido por una serie continua de eventos rápidos de apertura y cierre. Si no se aborda, la vibración puede provocar rápidamente daños y fugas en el asiento de la válvula y, si es lo suficientemente grave, incluso puede provocar daños en las tuberías adyacentes.

En respuesta a esta tendencia de válvulas economizadoras accionadas por resorte dañadas y problemas de arranque de HRSG bien documentados, el comité de la Sección I de ASME BPVC preparó y aprobó el Caso de Código 2446, que permite el uso de válvulas de seguridad operadas por piloto (POSV) para proteger el economizador. La POSV tiene muchas ventajas sobre una válvula accionada por resorte en esta aplicación, incluidas las siguientes:

Los POSV funcionan detectando la presión del sistema aguas arriba y pasando esta presión a través de una válvula piloto más pequeña para controlar la fuerza de cierre que actúa sobre el disco de la válvula principal. El aumento de la presión en la entrada de la válvula da como resultado una mayor fuerza de cierre hasta que se abre la válvula piloto. A diferencia de las válvulas cargadas por resorte que tienen un resorte que proporciona una fuerza de cierre independientemente de la presión de entrada, las POSV requieren presión de entrada para cargar presión en el domo de la válvula principal, lo que proporciona una fuerza de cierre en el pistón de la válvula principal, que a su vez actúa sobre el disco de la válvula principal.

Durante la puesta en servicio de la planta, las calderas a menudo se llenan a presiones más bajas del sistema y el economizador experimenta condiciones de aproximadamente 1 a 2 barg (15 a 30 psig). La falta de suficiente presión de funcionamiento que actúa sobre la cúpula de la válvula principal desde el medio puede provocar fugas en el asiento de la válvula principal y/o daños en el disco, el casquillo del asiento y la boquilla. La Figura 1 muestra una vista transversal típica de estos componentes internos para mostrar la ruta del flujo desde la línea de detección hasta el piloto y el domo de la válvula principal sobre el asiento y el disco de la válvula.

1. Aquí se muestra una válvula de seguridad operada por piloto típica con un tubo sensor que pasa el fluido a la válvula piloto montada en la parte superior de la válvula de seguridad principal. Cortesía: panadero Hughes

Para garantizar la estanqueidad del asiento, los operadores deben instalar una fuente de presión auxiliar, como una botella de nitrógeno, en el puerto de conexión de prueba de campo POSV para mantener la válvula principal presurizada y cerrada durante períodos de baja presión operativa del sistema. Al agregar una presión auxiliar, regulada entre el 75 % y el 97 % de la presión establecida, el domo de la válvula principal se puede precargar con suficiente presión para garantizar que se proporcione suficiente fuerza de cierre para mantener la válvula principal cerrada y hermética. Otra posible solución es consultar con el fabricante de la válvula para instalar un resorte adicional de baja resistencia en el domo de la válvula principal diseñado para proporcionar una fuerza de cierre hacia abajo en el disco de la válvula principal, que puede funcionar en conjunto con la presión en la válvula principal. domo durante esta condición de arranque de baja presión.

Otro modo de falla común es la obstrucción de los elementos filtrantes en la línea de detección piloto debido a los desechos del sistema que no se eliminaron por completo durante la puesta en servicio. La obstrucción de un filtro en la línea de detección evita que la presión llegue al piloto, lo que resulta en una presión reducida en el domo de la válvula principal. La presión reducida del domo de la válvula principal hace que la válvula tenga fugas y/o se abra, desperdiciando vapor, reduciendo la eficiencia y provocando la interrupción del arranque.

Se recomienda encarecidamente un cronograma proactivo para el mantenimiento preventivo de los filtros de la válvula piloto durante el primer año de operación de la planta. Por lo general, se recomienda cambiar el elemento filtrante en lugar de limpiarlo, ya que la magnetita puede quedar incrustada permanentemente dentro del filtro y no se puede eliminar mediante la limpieza. Otra opción es especificar filtros duales al comprar el POSV al fabricante de la válvula. Esta opción reduce el tiempo de inactividad ya que permite reparar un filtro mientras la válvula permanece en funcionamiento simplemente cambiando al filtro de respaldo. En cualquier escenario, siempre se recomienda un programa de mantenimiento preventivo, incluso con una opción de filtro doble.

A medida que las CCPP actuales se están transformando en unidades de pico y se les exige que reduzcan el tiempo para alcanzar cargas de generación de energía completas, los operadores están impulsando las tarifas de rampa de manera más agresiva que nunca. A medida que se activa la turbina de gas, el aumento de la temperatura del escape hace que el agua en el economizador se expanda, lo que resulta en un rápido aumento de la presión dentro de la unidad. En muchas plantas que se están transformando y entrando en funcionamiento hoy en día se han experimentado velocidades de rampa de hasta 20 bar/segundo (300 psi/segundo).

Estas velocidades de rampa golpean la válvula con un aumento de presión (un martillo) que excede los rangos para los cuales se diseñaron los POSV. Por diseño, existe una restricción de la ruta de flujo desde la entrada de la POSV hasta el domo de la válvula piloto para controlar una presión del domo compensada, lo que inherentemente da como resultado un desfase de microsegundos entre el aumento de presión dentro de la válvula piloto y la presión de entrada que actúa sobre la válvula piloto. asiento. Un aumento tan rápido de presión puede provocar vibraciones en la propia válvula piloto, lo que luego hace que la válvula principal vibre, lo que provoca daños tanto en el piloto como en los componentes de la válvula principal.

De manera similar, la presión aumenta instantáneamente en el economizador cuando se enciende la bomba de alimentación, lo que provoca rápidos picos de presión en el economizador. Estos rápidos picos de presión provocan un golpe de ariete, que es un aumento de presión causado cuando el agua está en movimiento y se ve obligada a detenerse o cambiar de dirección repentinamente. El impulso del fluido que se detiene abruptamente o cambia de dirección crea una onda de presión que viaja a través del medio dentro del sistema de tuberías, sometiendo todo en ese sistema cerrado a fuerzas significativas y dañinas.

2. Se puede agregar un amortiguador de presión a la línea de detección piloto para amortiguar la presión en sistemas susceptibles a sobretensiones. Cortesía: panadero Hughes

La mejor solución para abordar los problemas derivados de un rápido aumento de presión es simplemente reducir las velocidades de rampa tanto como sea posible. Disminuir la velocidad de 20 bar/segundo a 10 bar/segundo puede reducir drásticamente la gravedad del impacto hasta el punto en que las funciones de amortiguación de presión, como un amortiguador, puedan resistir los efectos del martillo. La instalación por parte del fabricante de un amortiguador de presión en la línea de detección piloto (Figura 2) puede absorber los efectos del golpe de ariete en el sistema de tuberías y amortiguar la presión antes de ingresar a la válvula piloto. Esta solución permite una comunicación de presión suave y estable desde la válvula piloto a la válvula principal, eliminando la vibración en la válvula piloto y principal. Es una buena práctica consultar al fabricante del POSV durante el diseño del sistema para conocer los límites de la tasa de rampa de presión y las recomendaciones para la instalación del amortiguador, si es necesario.

El comité de ASME BPVC Sección I reconoció la necesidad de cambios en el código de los economizadores para abordar estos desafíos de aplicación. Los cambios recientes al código ASME BPVC Sección I de 2017 ahora permiten que los economizadores tengan válvulas certificadas para líquidos con un tamaño del 10 % de acumulación para protección contra sobrepresión. Este cambio permitirá que se utilicen válvulas de alivio de seguridad certificadas para líquido con resorte directo y que tengan doble certificación para cumplir con los requisitos de la Sección I y la Sección VIII de ASME. Estos cambios alinean los requisitos de capacidad y rendimiento de la válvula con los productos que los fabricantes de alivio de presión pueden ofrecer para satisfacer esta exigente aplicación.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que las válvulas accionadas por resorte a menudo no están diseñadas para cumplir con los mismos límites de presión que las válvulas operadas por piloto debido a limitaciones de diseño del resorte. Por lo tanto, basándose en la necesidad de válvulas de mayor presión y orificios más grandes en los HRSG diseñados hoy en día, los POSV pueden ser el único producto que pueden ofrecer los fabricantes de válvulas para las aplicaciones de economizador de mayor presión. ■

—Matt Byers es el líder de gestión de productos de Consolidated Valves en Baker Hughes, una empresa de GE; y Hari Nair es director de Industria Eléctrica de Baker Hughes, una empresa de GE.

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