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El daño que puede ocurrir en los generadores de vapor debido a la fuga interna de contaminantes durante el funcionamiento normal es 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 saben 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 severo que puede ocurrir durante los apagados y los arranques posteriores. Los ciclos de carga son ahora una ocurrencia regular en la industria de la energía, donde muchas unidades siguen los cambios de carga generados por fuentes renovables. Lo que agrava el problema es la proliferación de unidades de ciclo combinado como reemplazo 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 la colocación de HRSG y el control de la química de puesta en marcha con Dan Dixon, antes de Lincoln Electric System y ahora con el Electric Power Research Institute (EPRI). Las ideas presentadas en ese artículo siguen siendo bastante válidas, por lo que esta nueva publicación 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 con la seguridad en primer plano.

El daño que puede ocurrir en los generadores de vapor debido a la fuga interna de contaminantes durante el funcionamiento normal es un tema de mucha discusión. Sin embargo, es posible que se produzcan daños muy graves en los sistemas que se encienden y apagan, pero que no se apagan, almacenan o arrancan correctamente. Las plantas de ciclo combinado son particularmente susceptibles a estos problemas debido a los numerosos arranques y paradas típicos. 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 laberinto complejo de tuberías de pared de agua, tuberías de sobrecalentador y recalentador, tambores de calderas 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 atrae 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 mecanismo de corrosión en sí mismo puede inducir una pérdida severa de metal en aquellas áreas de alta concentración de oxígeno.

El ataque a menudo toma la forma de picaduras, donde la corrosión concentrada puede causar la penetración a través de la pared y la falla 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 la pared de agua conduce a la pérdida de eficiencia térmica y, lo que es más importante, establece sitios para la corrosión debajo del depósito. Estos mecanismos pueden incluir daños muy insidiosos por hidrógeno, [1] corrosión por fosfato ácido en unidades tratadas incorrectamente y ranurado cáustico.

Otro método por el cual el oxígeno puede infiltrarse en los generadores de vapor es en el arranque cuando se necesita condensado almacenado o agua desmineralizada fresca para llenar o llenar 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 evitar la entrada de oxígeno y la corrosión. Examinaremos estas técnicas más algunas alternativas que también pueden ser efectivas.

Lo primero y más importante es la protección con nitrógeno durante las últimas etapas del cierre y las posteriores capas de almacenamiento a corto plazo. 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, solo ingresa nitrógeno, no aire cargado de oxígeno. Los puntos clave para la protección con 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 sosa cáustica libre se mantienen en 1 ppm o menos para minimizar el riesgo de abolladuras cáusticas.

Luego de la operación inicial de las unidades de ciclo combinado, el personal de la planta descubrió fugas de oxígeno en uno de los evaporadores de alta presión. El primer paso para mitigar este problema fue la instalación de un sistema de inertización 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 de botellas de nitrógeno provistas 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 a través de 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 deja pasar el nitrógeno. Obviamente, el nitrógeno se puede recolectar en receptores para usarlo según sea necesario. En un intervalo preseleccionado, la presión se libera de la unidad permitiendo que el O2, CO2 y H2O se desorban del material, momento en el que 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 de Terry Bundy aplica nitrógeno, a una presión de 5 psig, a los tambores de LP y HP durante el depósito húmedo, y el nitrógeno se utiliza para "empujar" el agua de un HRSG durante el drenaje del depósito seco. Se mantiene una presión de nitrógeno de 5 psig durante la colocación en seco, siempre que no se requiera un trabajo importante en los tubos. Una de las principales preocupaciones obvias con la inertización de nitrógeno, y el razonamiento detrás de su rechazo en algunas plantas, involucra 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 minutos.

Una alternativa a la adsorción por oscilación de presión es la separación de gases mediante tecnología de membrana. 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 recolectarse en un puerto de salida. La literatura indica que este proceso puede producir 99,5 por ciento de nitrógeno puro.

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

Ambos HRSG de Terry Bundy tienen sistemas de circulación instalados en los circuitos de alta y baja presión para usar durante las capas húmedas. Cada circuito utiliza una de las dos bombas de recirculación del precalentador redundantes, que normalmente están en servicio durante el funcionamiento del HRSG para mitigar la corrosión por punto de rocío ácido de los circuitos externos. Cada bomba proporciona aproximadamente 100 gpm de flujo por circuito. Se agregaron válvulas y tuberías para permitir una transición perfecta de la circulación de almacenamiento a la operación normal. Los sistemas de muestra/inyección están disponibles para permitir que los operadores prueben la composición química del pH y el oxígeno disuelto (usando ampollas colorimétricas), y para inyectar hidróxido de amonio si es necesario elevar el pH. Además, las modificaciones realizadas en cada tambor de la caldera permiten que el agua acumulada se desvíe del 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 la duración del almacenamiento.

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 la operación normal y, de manera aún más crítica, durante la operación de llenado de la caldera. En este último caso, la entrada de agua fría saturada de oxígeno puede causar graves dificultades. Un método posible para minimizar este problema es limitar el ingreso de oxígeno a los tanques de almacenamiento, pero esta 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 de gas a gas descrito anteriormente, pero en este caso el portador es el agua. A medida que el líquido fluye a lo largo de las membranas de fibra hueca del recipiente, los gases pasan a través de 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 billón (ppb). Lo que es más importante, 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 (autor Buecker) más de 30 años en la industria energética o afiliado a ella, he visto muchos casos en los que se permitió que el pozo caliente del condensador permaneciera húmedo, o incluso contuviera agua estancada, durante apagones en los que se rompió el vacío del condensador y entró aire. el condensador y la turbina LP. La combinación de una atmósfera cargada de humedad y los depósitos de sal que se acumulan en los álabes de las turbinas de gas LP durante la operación de rutina pueden ser muy perjudiciales. Las picaduras y el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC), dos mecanismos muy dañinos, son dos de los posibles resultados.

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 todas las paradas, excepto las 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 % de humedad al condensador y la turbina de baja presión. Este flujo puede reducir la humedad relativa de casi el 100 % a menos del 30 % en tan solo unas pocas horas.

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

El monitoreo del nivel de hierro, a través de la 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 de LP y HP. Los inicios más rápidos ahora son comunes. La conductividad de los cationes del vapor principal cae dentro de la pauta recomendada (0,2 µS/cm) hasta 1,5 horas antes, y la conductividad de los cationes CPD permanece constantemente por debajo de 0,1 µS/cm, mientras que en el pasado podía subir hasta 0,45 µS/cm. De gran importancia es que las unidades se pueden dejar en almacenamiento húmedo durante períodos prolongados, lo que le ahorra a la planta seis horas (sobre el almacenamiento en seco) para alcanzar la carga completa según lo solicite el despachador.

1. Pautas químicas de ciclo para el apagado, almacenamiento y puesta en marcha de unidades de ciclo combinado con generadores de vapor de recuperación de calor, EPRI, Palo Alto, CA: 2006, 1010437.