UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA DESARROLLO DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE UNA CALDERA DE RECUPERACIÓN DE CALOR PARA CENTRALES TERMOELÉCTRICAS Por: Filippo Romano Ruggiero Bolívar INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico Sartenejas, Marzo de 2012

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA DESARROLLO DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE UNA CALDERA DE RECUPERACIÓN DE CALOR PARA CENTRALES TERMOELÉCTRICAS Por: Filippo Romano Ruggiero Bolívar Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Carlos Romero Tutor Industrial: Ing. Carmen Belmonte INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico Sartenejas, Marzo de 2012

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4 DESARROLLO DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE UNA CALDERA DE RECUPERACIÓN DE CALOR PARA CENTRALES TERMOELÉCTRICAS RESUMEN El proyecto consiste en elaborar las especificaciones técnicas de un Generador o Caldera de Recuperación de Calor (CRC) a ser instalada en una Central Termoeléctrica de ciclo combinado. Estas especificaciones comprenden la elaboración de documentos base para la compra de este tipo de equipos tales como hoja de datos, especificaciones de diseño, requisición de materiales para la compra. Adicionalmente como resultado de este proyecto se elaborará un documento técnico guía en el cual se presente la descripción completa de los tipos de Caldera de recuperación de Calor mayormente utilizados en Centrales Termoeléctricas de ciclo combinado, siendo esta descripción focalizada en aspectos de diseño, operación e interrelación con el resto de los componentes y procesos en el circuito de generación de energía en un ciclo combinado. La obtención de este tipo de documentos servirá como base en el futuro, en caso de que la empresa vuelva a trabajar en proyectos que requieran esta clase de equipos. Adicionalmente, se realizará una verificación de los datos del ciclo, proporcionados por el fabricante, operando en distintas condiciones ambientales, para luego calcular la eficiencia de cada configuración del ciclo. Obtenidos los resultados, se hará un análisis de por qué en ciertas condiciones ambientales la eficiencia es mayor que en otras. iv

5 ÍNDICE GENERAL RESUMEN... iv ÍNDICE DE TABLAS... vii ÍNDICE DE FIGURAS... viii LISTA DE ABREVIATURAS... ix LISTA DE SÍMBOLOS... x INTRODUCCIÓN... 1 Objetivo General... 2 Objetivos Específicos... 3 CAPÍTULO DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA Reseña histórica Estructura Organizativa de la Empresa Política de Calidad Política de Seguridad, Higiene y Ambiente... 7 CAPÍTULO MARCO TEÓRICO Central Termoeléctrica Ciclo Termodinámico Ciclo Rankine Ciclo Brayton Ciclo Combinado Funcionamiento del Ciclo Combinado Circuito aire-gases Circuito agua-vapor Circuito agua-vapor de alta presión (AP) Circuito agua-vapor de media presión (MP) Circuito agua-vapor baja presión (BP) Línea de condensado Calderas de Recuperación de Calor Tipos de Calderas de Recuperación de Calor Calderas de Recuperación de Calor Horizontales con tambores (Horizontal Drum Heat Recovery Steam Generators) Caldera de Recuperación de Calor Vertical con tambores (Vertical Drum Heat Recovery Steam Generators) Calderas de un solo paso ( Once Through ) Emisiones y Contaminantes de CRC CAPÍTULO METODOLOGÍA Verificación de la Información v

6 Ciclo Combinado Equipos Principales Calderas de Recuperación de Calor (CRC) Documentos Históricos de la Empresa Realización de Documentos Especificación Técnica Requisición de Materiales Vendor Data Requirements (VDR) Hoja de Datos Guía Técnica de Calderas de Recuperación de Calor Evaluación de Documentos CAPÍTULO ANÁLISIS DE RESULTADOS Verificación de la Información Realización de Documentos Especificación Técnica Requisición de Materiales Vendor Data Requirements y Hoja Datos Guía Técnica de Calderas de Recuperación de Calor Evaluación de los Documentos CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS APENDICE A: Especificación Técnica elaborada durante el proyecto APÉNDICE B. Requisición de Materiales elaborada durante el proyecto APÉNDICE C. Vendor Data Requirements elaborado durante el proyecto APÉNDICE D. Hoja de Datos elaborada durante el proyecto APÉNDICE E. Guía Técnica de Caderas de Recuperación de Calor elaborada durante la pasantía vi

7 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Nomenclatura utilizada para definir las condiciones de cada caso Tabla 3.2. Lista de casos proporcionados por Siemens Tabla 4.1. Verificación de valores aportados por el fabricante Tabla 4.2. Calor, potencia y eficiencias del ciclo para cada caso vii

8 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Emblema gráfico actual de INELECTRA S.A.C.A, desde el año 2005 [4] Figura 1.2. Estructura Organizacional de INELECTRA S.A.C.A. [4]... 6 Figura 2.1. Ciclo Rankine [6]... 9 Figura 2.2. Ciclo Brayton Figura 2.3. Ciclo Combinado [8] Figura 2.4. Diagrama de Flujo del Ciclo Combinado con Tres Niveles de Presión y Recalentamiento [10] Figura 2.5. Cambio de Temperatura del Vapor y del Gas a lo largo de la caldera Figura 2.6. CRC Horizontal con tambores [8] Figura 2.7. CRC Horizontal con chimenea de Bypass [12] Figura 2.8. CRC Vertical con tambores sin quemado adicional de combustible [13] Figura 2.9. Esquema del proceso de calentamiento en CRC del tipo Once Through [13]. 23 Figura CRC Horizontal del tipo Once Thorugh [12] Figura CRC Horizontal con tres niveles de presión, catalizador y quemador adicional. [16] Figura 3.1 Fases del estudio Figura 3.2. Imagen del Ciclo elaborado por Siemens [9] Figura 4.1. Imagen del Ciclo elaborado en CyclePad Figura 4.2. Eficiencia del ciclo para cada configuración Figura 4.2. Índice de la Especificación Técnica Figura 4.3. Renglones de la Requisición de Materiales viii

9 LISTA DE ABREVIATURAS AP Alta Presión AT Alta Temperatura BP Baja Presión CRC Caldera de Recuperación de Calor ECAP Economizador de Alta Presión ECBP Economizador de Baja Presión ECMP Economizador de Media Presión EIS Consorcio conformado por Electroingeniería, Inelectra S.A.C.A. y Sener. ENELVEN Energía Eléctrica de Venezuela, CA EVAP Evaporador de Alta Presión EVBP Evaporador de Baja Presión EVMP Evaporador de Media Presión HR Humedad Relativa [%] LHV Lower Heating Value (Valor Bajo de Calorificación) [KJ/Kg] MP Media Presión Pot Potencia [KW] RC Recalentador SAP Sobrecalentador de Alta Presión SBP Sobrecalentador de Baja Presión SMP Sobrecalentador de Media Presión Tamb Temperatura Ambiente [ºC] TAE Temperatura del Agua de Enfriamiento [ºC] TAP Turbina de Alta Presión TBP Turbina de Baja Presión TG Turbina a Gas TMP Turbina de Media Presión USB Universidad Simón Bolívar VDR Vendor Data Requirements (Requerimientos de Datos de los Proveedores) ix

10 LISTA DE SÍMBOLOS η Flujo másico [Kg/s] Eficiencia Flujo de Calor [KW] x

11 1 INTRODUCCIÓN En Venezuela, la energía eléctrica es generada en 62% por centrales hidroeléctricas, en estas se utiliza la corriente de ríos para hacer girar turbinas conectadas a un generador. El 35% es generado por centrales térmicas, en las que básicamente se utilizan derivados del petróleo como combustible para generar calor y hacer mover las turbinas acopladas a un generador (Ciclo Combinado), y casi un 3% corresponde al sistema de generación distribuida, conformada por grupos electrógenos [1]. En los últimos años, la nación ha sufrido una crisis energética importante. Esto se debe a los cambios climáticos extremos ocasionados por el fenómeno de El Niño. Dicho fenómeno genera una mayor frecuencia e intensidad de las lluvias, tormentas e inundaciones en ciertas regiones y sequías más severas y duraderas en otras [2]. Estas fuertes sequías han reducido considerablemente el nivel de agua de las centrales hidroeléctricas, evitando el aporte energético de estas y generando una dependencia de las plantas termoeléctricas. Sin embargo, el parque térmico nacional viene de sufrir más de dos décadas de desinversión, lo que le ha proporcionado fragilidad al sistema eléctrico, haciéndolo, sobre todo, dependiente de las centrales hidroeléctricas [1]. En otras palabras, la crisis energética nacional se debe a la falta de mantenimiento de las centrales térmicas y a los largos períodos de sequía ocasionados por El Niño. Debido a esta serie de sucesos se ha tomado en consideración la recuperación de las antiguas plantas termoeléctricas y la creación de nuevas. Actualmente, la empresa INELECTRA S.A.C.A., está realizando la ingeniería de la tercera etapa de la planta Termozulia, conjuntamente con las empresas Electroingeniería (Argentina) y Sener (España). Estas tres empresas crearon un consorcio denominado EIS. Termozulia III, será una central termoeléctrica de ciclo combinado con una capacidad instalada de 500 MW (dos turbinas a gas y una a vapor) ubicada en el Municipio La Cañada de Urdaneta de la ciudad de Maracaibo. Es la tercera central de un complejo de tres plantas de generación: Termozulia I en operación, Termozulia II en construcción y Termozulia III, en la fase de ingeniería de detalle. Es la primera vez que la empresa trabaja en un proyecto de ciclo combinado. Para la compra de cada equipo del ciclo combinado se deben elaborar una serie de documentos, entre los cuales están las Especificaciones Técnicas y Requisición de Materiales. Dichos

12 2 documentos se crean con el fin de proporcionarle al fabricante una visión exacta de lo que desea el cliente, en este caso ENELVEN. Estos documentos son de suma importancia ya que sin ellos, los proveedores pueden incumplir normas o suministrar equipos incompletos, con el fin de reducir costos. La Especificación Técnica es el documento en el cual se definen las normas, exigencias y procedimientos a ser empleados y aplicados en todos los trabajos de construcción de obras, elaboración de estudios, fabricación de equipos. Una de las partes más importantes de este documento son las condiciones de diseño. Dentro de éstas están las condiciones del sitio, condiciones sísmicas, condiciones de viento. Cada uno de estos factores es imprescindible a la hora del diseño de los equipos y varían según la ubicación del proyecto que se esté haciendo. La Requisición de Materiales es un documento que va dirigido a los proveedores en donde se especifica qué artículos materiales se necesitan para un proyecto u obra determinada. Las requisiciones tienen anexos las hojas de datos y el Vendor Data Requirements (VDR) (Requerimientos de Datos de los Proveedores). La sección más importante de la requisición se denomina Renglones. Dicha sección es una tabla que presenta el número de ítem, código y descripción del artículo, y cantidad necesaria. No se incluyen precios ya que el proveedor al recibirlo responde con el costo de cada artículo. Para la elaboración de la Especificación Técnica y la Requisición de Materiales es necesario tener pleno conocimiento de los elementos y accesorios más importantes del equipo del cual se están elaborando los documentos. De esta manera se puede tener cierto criterio sobre lo que está solicitando el cliente. En este trabajo se muestran los pasos seguidos para la elaboración de dichos documentos para las Calderas de Recuperación de Calor (CRC). Además, se realizó un documento guía que contiene, además de los tipos de calderas, ventajas y desventajas de cada tipo, el funcionamiento del ciclo con tres niveles de presión y recalentamiento. Dicho documento se realizó con el fin de orientar a futuros pasantes o empleados respecto a este tipo de calderas. Por todo lo antes mencionado, los objetivos del trabajo son: Objetivo General Desarrollar documentos técnicos de una Caldera de Recuperación de Calor (CRC) para Centrales Termoeléctricas de Ciclo Combinado.

13 3 Objetivos Específicos - Elaborar el formato general de las especificaciones técnicas de diseño para la compra de una Caldera de Recuperación de Calor (CRC). - Elaborar el formato general de requisición de materiales con sus respectivos documentos anexos (VDR (Vendor Data Requirements), hoja de datos, entre otros) para la compra de una Caldera de Recuperación de Calor (CRC). - Elaborar un documento técnico que sirva como guía futura sobre este tipo de equipos, el cual, entre otras cosas, contendrá la clasificación de las Calderas de Recuperación de Calor para ciclos combinados, esquemas del proceso y diagramas de flujo. El trabajo está conformado por cuatro capítulos: el primer capítulo describe la empresa INELECTRA S.A.C.A., lugar donde se llevó a cabo este proyecto; en el segundo capítulo se presenta el marco teórico, donde se hace una revisión de los elementos conceptuales relacionados al proyecto; en el cuarto capítulo se muestran los pasos seguidos para el cumplimiento de los objetivos del proyecto y en el cuarto capítulo se muestran y discuten los resultados obtenidos. Finalmente, se presentan las conclusiones y recomendaciones.

14 CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA Inelectra S.A.C.A. es una empresa venezolana dedicada a la ingeniería, procura y construcción de instalaciones industriales para otras empresas e industrias ejecutando proyectos de importancia y gran envergadura en Venezuela y en el exterior. Está comprometida con el desarrollo industrial del país teniendo como meta el aumento de la participación nacional en sus proyectos incorporando capital humano, materiales y equipos venezolanos. La empresa figura entre las 50 empresas más importantes del mundo en el sector de energía e hidrocarburos, siendo una de las 3 más grandes de América Latina. Su campo de trabajo abarca la industria petrolera, petroquímica, minera, metalurgia, electricidad, telecomunicaciones, infraestructura, transporte masivo, entre otras, donde ofrece servicios profesionales de consulta y asesoría, estudio de factibilidad, gerencia de proyectos, ingeniería conceptual, ingeniería básica, ingeniería de detalle, procura, gerencia de procura, supervisión y gerencia de construcción, construcción, operación de instalación, puesta en marcha y mantenimiento Reseña histórica Inelectra S.A.C.A., fundada en 1968 en Venezuela, es una empresa que abarca toda la cadena de servicios multidisciplinarios de desarrollo de proyectos ingenieriles, cuyas etapas cubren los estudios de factibilidad, ingeniería, procura, gerencia de construcción y construcción directa, así como las de operación y mantenimiento del proyecto. La integración de actividades se logra progresivamente mediante la capacitación del personal, desarrollo y adquisición de tecnologías, participación en sociedad con firmas extranjeras y, sobre todo, identificando a tiempo las oportunidades y asumiendo profesionalmente los retos surgidos durante el desarrollo del país. En sus más de 40 años de operaciones, Inelectra ha ejecutado más de mil quinientos (1.500) proyectos integrales para el sector petrolero, petroquímico, industrial y de transporte, incluyendo

15 5 proyectos mayores de ingeniería, procura y construcción de alcance global. Esta gestión representa más de 28 millones de horas-hombre de servicios profesionales prestados y 80 millones de horas-hombre de construcción. A continuación, en la Figura 1.1 se puede observar el emblema actual de la empresa: Figura 1.1. Emblema gráfico actual de INELECTRA S.A.C.A, desde el año 2005 [4] Estructura Organizativa de la Empresa INELECTRA S.A.C.A. presenta una organización vertical, con diferentes rangos de decisión. La empresa está conformada por un conjunto de unidades que actúan como centros organizativos de todas las actividades, con responsabilidad sobre sus resultados, integrándose bajo cinco unidades operativas principales: Operaciones Medulares, Negocios Internacionales, Negocios Venezuela, Finanzas y Servicios Compartidos, y Talento Humano. Dentro de la unidad de Operaciones Medulares, se encuentra la división de Ingeniería, que comprende al departamento de Mecánica, entre otros. Este último es el encargado del desarrollo de la ingeniería relacionada con los equipos mecánicos, en las áreas de maquinaria, equipos paquete, tanques de almacenamiento, recipientes a presión e intercambiadores de calor. INELECTRA S.A.C.A. ofrece en esta área el diseño o selección de equipos, especificaciones de los mismos, evaluaciones de ofertas y revisión de la documentación generada por los fabricantes, traslado de personal de ingeniería a los talleres de fabricación, inspección de equipos y servicio a terceros en el diseño de recipientes a presión, y diseño térmico y mecánico de intercambiadores de calor. El objetivo de esto es obtener óptimos resultados en los proyectos que se ejecutan, así como satisfacer las necesidades de los clientes. La estructura organizacional de INELECTRA S.A.C.A. se muestra en la figura a continuación:

16 6 Presidencia Asuntos Públicos Seguridad, Higiene y Ambiente Legal Operaciones Medulares Negocios Internacionales Negocios Venezuela Finanzas y Servicios Compartidos Talento Humano Ingeniería Proyectos Internacionales Proyectos Venezuela Contraloría Operaciones de Talento Humano Procesos Ingeniería Mecánica Operaciones Internacionales Operaciones Venezuela Administración Diseño Mecánico Ingeniería Eléctrica Desarrollo de Negocios Internacionales Desarrollo de Negocios Venezuela Riesgo y Tesorería Automatización y Control Ingeniería Civil Servicios Ingeniería de Seguridad y Estudios Revisiones Técnicas Construcción Procura Coordinación de Centro de Ejecución Figura 1.2. Estructura Organizacional de INELECTRA S.A.C.A. [4] 1.3. Política de Calidad Proveer servicios, proyectos e instalaciones de alta calidad, que cumplan con los requerimientos establecidos y garanticen la satisfacción de nuestros clientes, conjugando exitosamente sus expectativas y las de los socios, accionistas, empleados y proveedores.

17 7 Entender los requerimientos y exigencias del trabajo que se nos asigne, ejecutándolo correctamente desde la primera vez de manera segura, efectiva y eficiente. Asegurar que nuestro personal esté debidamente entrenado, motivado y mantenga una actitud innovadora, entienda nuestros procesos de trabajo, se identifique con ellos y esté dispuesto a mejorarlos continuamente. Promover el desarrollo sustentable a través de una operación responsable y respetuosa del medio ambiente y del entorno social Política de Seguridad, Higiene y Ambiente En Inelectra entendemos que nuestra actividad tiene impacto directo en el desarrollo del entorno, por esto las prácticas y procedimientos de trabajo seguro, higiene y protección del ambiente son parte de la responsabilidad social que tenemos como individuos y como empresa. Somos gente que día a día se compromete a realizar su actividad de forma segura y confiable, cumpliendo las normas y leyes vigentes de Seguridad, Higiene y Ambiente, por eso nos preocupamos por formarnos y capacitarnos permanentemente en esta materia. Trabajando en prevención, minimizando los riesgos y poniendo en práctica las lecciones aprendidas lograremos la meta de Cero Accidentes, Cero Enfermedades Profesionales, Cero Impactos al Ambiente en el desempeño de nuestras actividades. El protagonismo de todos en el logro de esta meta, así como, el esfuerzo por mejorar continuamente y una actitud preventiva garantizan condiciones adecuadas y ambientes óptimos de trabajo, lo cual se refleja en el bienestar de todos, el de nuestras familias, y la comunidad en general.

18 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO En este capítulo se muestran los diferentes basamentos teóricos considerados necesarios para la comprensión de este proyecto. Entre estos están la definición y el funcionamiento de las Plantas Termoeléctricas, Ciclo Termodinámico, Ciclos Rankine, Brayton y combinado, tipos de Calderas de Recuperación de Calor (CRC) y partes más importantes de éstas, entre otros Central Termoeléctrica Es una instalación encargada de producir energía eléctrica a partir de energía térmica, generalmente mediante la ignición de combustibles fósiles como fueloil, gas natural o carbón. Este calor es empleado para mover una turbina que se encuentra acoplada a un alternador, encargado de convertir la energía mecánica en eléctrica Ciclo Termodinámico Un ciclo termodinámico es un sistema en el cual un fluido sufre una serie de transformaciones para generar trabajo. Cada motor, cada central eléctrica, es un ciclo termodinámico [5]. Algunos de los ciclos termodinámicos más comunes son: Otto y Diesel (motores de combustión interna), Brayton y Rankine (conocidos también como ciclos de potencia) y ciclo de Carnot (conocido como ciclo ideal). Sin embargo, este trabajo se enfoca en los ciclos Brayton y Rankine, ya que estos conforman lo que es conocido como Ciclo Combinado, el cual es el más utilizado en centrales termoeléctricas Ciclo Rankine Es un ciclo de potencia que generalmente utiliza agua como fluido de operación, y con el cambio alternativo de fases de ésta, convierte calor en trabajo. El agua es impulsada por la bomba a la caldera, donde es convertida en vapor. Luego, el vapor hace girar a la turbina, la cual está acoplada a un alternador encargado de convertir la energía mecánica en energía eléctrica. A la salida de la turbina el vapor es transportado a un condensador, en donde el fluido es enfriado hasta pasar a su fase líquida para ser conducido a la bomba e iniciarse nuevamente el ciclo.

19 9 Este ciclo puede presentar variantes dependiendo de lo que se requiera. Sin embargo, en la Figura 2.1 se muestra el Ciclo Rankine más comúnmente utilizado. Figura 2.1. Ciclo Rankine [6] 2.4. Ciclo Brayton Es un ciclo de potencia que consiste básicamente en un compresor, una cámara de combustión y una turbina. El aire es comprimido en el compresor y conducido a la cámara de combustión, en donde se le inyecta combustible al flujo para luego hacerlo explotar. De esta forma el flujo aumenta rápidamente su temperatura, para luego ser llevado a la turbina y hacerla girar. Este ciclo posee una baja eficiencia global (entre 25 y 30%), ya que los gases expulsados poseen altas temperaturas. Dichos gases se pueden utilizar para convertir agua en vapor y utilizarlo para algún proceso. En este caso se estaría hablando de un Ciclo de Cogeneración. Si el vapor en lugar de ser utilizado para un proceso, es empleado para mover una nueva turbina, se estaría hablando de un Ciclo Combinado. Se puede decir que un Ciclo Simple es lo mismo que un Ciclo Brayton. Estas turbinas son de rápida instalación y puesta en marcha, pero de baja eficiencia térmica. En la Figura 2.2 se puede observar un diagrama del Ciclo Brayton.

20 10 Figura 2.2. Ciclo Brayton Ciclo Combinado Como ya se dijo anteriormente, las turbinas a gas o de ciclo simple, a pesar de ser de fácil instalación y rápida puesta en marcha, son de muy baja eficiencia. Es por esto que el flujo a la salida se utiliza para generar vapor, el cual será usado para mover una nueva turbina. Esto es lo que llamamos un Ciclo Combinado: La salida del Ciclo Brayton es la entrada del Ciclo Rankine. De esta forma se aumenta considerablemente la eficiencia del sistema. La unión de ambos ciclos se realiza a través de una Caldera de Recuperación de Calor (CRC). Al igual que el Ciclo Brayton y el Ciclo Rankine, el Ciclo Combinado puede presentar variantes dependiendo de lo que se necesite. En este proyecto se hablará de un Ciclo Combinado con Tres (3) Niveles de Presión y Recalentamiento. Esta es la variante más costosa, sin embargo la más eficiente. Aumenta la eficiencia de aproximadamente un 30% (Ciclo Simple) a un 60% [7]. En la figura 2.3 se puede observar un diagrama de un ciclo combinado. En la parte superior se aprecia el ciclo Brayton, y en la parte inferior, el ciclo Rankine.

21 11 Figura 2.3. Ciclo Combinado [8] Funcionamiento del Ciclo Combinado El término Planta de Ciclo Combinado casi siempre implica la existencia de una turbina de gas, una caldera y una turbina de vapor. Básicamente, se trata de generar electricidad a partir de la combustión de un gas o de fueloil. Los gases de la combustión pasan a una turbina de gas que mueve el alternador. A la salida de la turbina los gases han perdido presión y temperatura pero aún contienen la suficiente energía como para que valga la pena aprovecharla en la caldera de recuperación de calor. Una caldera es básicamente un intercambiador de calor a contracorriente donde el gas calienta un grupo de tubos por donde circula agua o vapor cuya energía se aprovecha en la turbina de vapor que a su vez acciona un alternador. Termodinámicamente, esto implica la unión de un ciclo Brayton (gas) y un ciclo Rankine (vapor). El calor generado en el ciclo Brayton es la entrada para el ciclo Rankine. Cuando parte del vapor generado en una caldera se aprovecha para un proceso industrial podemos hablar de una aplicación de cogeneración. En estos casos, el aprovechamiento de energía se acerca al 80%, comparado con un 60% de un ciclo combinado [9]. Las plantas de ciclo combinado pueden variar de un solo nivel de presión, hasta tres niveles de presión con recalentamiento.

22 12 La configuración con tres niveles de presión y recalentamiento funciona de la manera siguiente: Circuito aire-gases Un compresor comprime aire, que se mezcla con un combustible gaseoso o líquido dentro de una cámara de combustión. El producto de esta combustión son gases a alta temperatura (AT) y alta presión (AP). Estos gases se envían a la turbina de gas que gira como consecuencia del paso de los gases por sus álabes. Esta energía mecánica se transforma en energía eléctrica en el alternador que va unido a la turbina de gas. Luego, son enviados a la caldera de recuperación para aumentar la eficiencia del ciclo. De esta manera se logra disminuir la temperatura de los gases desde aproximadamente 600ºC, a la entrada de la caldera, hasta 150ºC, a la salida de la caldera Circuito agua-vapor A medida que los gases pasan por la caldera ceden calor a los haces tubulares (sobrecalentadores, recalentadores, evaporadores y economizadores) y luego abandonan la caldera por la chimenea. La temperatura de entrada de gases a la caldera puede alcanzar los 600 C y a la salida hacia la chimenea, alrededor de 100 C. El agua puede entrar en el economizador de alta a 60 C y salir hacia la turbina de vapor a 560 C. El circuito agua-vapor representado en los siguientes esquemas es de tres niveles de presión de vapor: alta (AP), media (MP) y baja (BP). Las extracciones de vapor de AP, MP y BP de la caldera van a las turbinas de AP, MP y BP, respectivamente. En realidad son tres turbinas unidas por el mismo eje. El vapor entra en las turbinas, se expande a su paso por los álabes y hace girar el eje de la turbina que está unido al eje del alternador, donde la energía mecánica se transforma en energía eléctrica. El agua de la que se alimenta la caldera está almacenada en el tanque de agua de alimentación Circuito agua-vapor de alta presión (AP) La bomba de agua de alimentación de AP alimenta de agua a alta presión a la caldera (14000 kpa). El agua entra en la caldera por la primera etapa del economizador de AP. En este economizador, el agua sufre calentamiento (155 C), después pasa a la segunda etapa del economizador de AP (233 C) y finalmente a la tercera etapa del economizador de AP (329 C). Las temperaturas y presiones entre paréntesis son orientativas. El agua circula desde el economizador hasta el calderín o tambor de AP. Un tambor es un depósito cilíndrico horizontal que contiene agua en fase líquida y vapor y sirve para separar el agua del vapor. El tambor contiene separadores mecánicos (ciclones y depuradores) que eliminan

23 13 el agua del vapor y sólo permiten la salida del vapor saturado seco, ya que las gotas de agua serán perjudiciales para el sobrecalentador y la turbina). El tambor de AP alimenta de agua al evaporador de AP, donde se produce la vaporización del agua. Este vapor húmedo vuelve de nuevo al tambor de AP. El tambor de AP suministra vapor saturado a los sobrecalentadores de AP, donde el vapor saturado aumenta su temperatura (560 C) y alcanza las condiciones óptimas para entrar en la turbina de vapor de AP. El eje de la turbina de vapor se mueve y este a su vez hace girar al alternador. El vapor de alta ha cedido parte de su energía a la turbina de vapor de alta y sale de ella como vapor de MP, que es conducido al recalentador de MP. Este circuito está representado en la Figura 2.3 por medio de las líneas rojas Circuito agua-vapor de media presión (MP) La bomba de agua de alimentación de media presión (3300 kpa) suministra agua a la primera etapa del economizador de MP (152 C). Luego, el agua fluye hacia la segunda etapa del economizador de MP (228 C). El agua abandona el economizador y pasa al tambor de MP. El tambor de MP alimenta el evaporador de MP, en este haz tubular se produce el cambio de líquido a vapor húmedo y de aquí vuelve al tambor de MP (230 C). El vapor húmedo sale del tambor como saturado y pasa entonces al sobrecalentador de MP, donde el vapor de MP sufre un aumento de temperatura. A la salida del sobrecalentador, el vapor de MP es mezclado con el vapor de MP del escape de la turbina de vapor de AP, una vez mezclados ambas corrientes de vapor entran en el recalentador de MP donde el vapor sufre un calentamiento adicional (330 C) y alcanza las condiciones óptimas para entrar en la turbina de vapor de MP, este vapor mueve la turbina que a su vez acciona el alternador. El vapor saturado de MP ha cedido parte de su energía a la turbina de vapor de media y sale de ella como vapor de baja presión, que va directamente a la turbina de BP. Existen dos líneas secundarias en este circuito: Antes que el vapor de escape de la turbina de vapor de AP (vapor de MP) se mezcle con el vapor del sobrecalentador, existe una línea que desvía una proporción muy pequeña de este vapor de MP y lo envía al desgasificador. El desgasificador es un depósito situado sobre el tanque de agua de alimentación, su función es eliminar mediante vapor los gases disueltos en el agua condensada que entra en el tanque de agua de alimentación. Si no se eliminan estos gases del agua condensada pueden aparecer burbujas de gas en el agua de la caldera, lo que puede provocar mal funcionamiento.

24 14 Antes de entrar el vapor de MP en la turbina de MP, existe una línea denominada bypass de turbina de vapor de AP. Esta línea es utilizada principalmente en los arranques y sirve para que el vapor de MP no pase por la turbina de MP hasta que no tenga las condiciones adecuadas para entrar en la turbina. El bypass conduce al vapor de MP a la salida de la turbina de vapor de BP, justo antes del condensador. Este circuito está representado en la Figura 2.3 por medio de las líneas amarillas Circuito agua-vapor baja presión (BP) En la línea de baja presión no hay bombas de alimentación. Entre los economizadores de MP de primera y segunda etapa existe una extracción de agua que suministra agua al tambor de BP. Este tambor alimenta agua al evaporador de BP (400 kpa), en este haz tubular se produce el cambio de fase, de líquido a vapor húmedo. Este vapor húmedo vuelve al tambor de BP (150 C). El vapor saturado sale del tambor de BP hacia el sobrecalentador de baja presión y luego a la turbina, pero antes se mezcla con el vapor de BP de la salida de la turbina de MP. El vapor de BP acciona la turbina de BP, y ésta a su vez al alternador, produciéndose así la transformación de energía térmica-mecánica-eléctrica, tantas veces mencionada. La turbina de vapor de BP tiene dos extracciones de vapor dirigidas al desgasificador, este vapor es utilizado en la desgasificación. Al igual que en el circuito de media presión, existe una línea de bypass de turbina de vapor de BP, esta última funciona cuando el vapor de BP aún no ha alcanzado las condiciones óptimas para entrar en la turbina de BP y conecta el colector de vapor de BP con la salida de la turbina de vapor de BP. Este circuito está representado en la Figura 2.3 por medio de las líneas azules Línea de condensado El vapor de escape de la turbina de BP es un vapor de muy baja presión que es conducido al condensador, que en esencia es un enfriador. El agua refrigerante enfría el vapor condensándolo. Esta condensación también se producirá en los vapores que circulan por los bypass de turbina de MP y BP, si los hubiere. Esta agua condensada es impulsada por la bomba del condensador al desgasificador, donde se eliminan los gases disueltos y cae de nuevo en el tanque de agua de alimentación. Esta agua ya está dispuesta otra vez para ser circulada a los economizadores de la caldera a través de las bombas de AP y MP.

25 Figura 2.4. Diagrama de Flujo del Ciclo Combinado con Tres Niveles de Presión y Recalentamiento [10]. 15

26 Calderas de Recuperación de Calor Las Calderas de Recuperación de Calor son usadas en sistemas combinados de potencia y calor para capturar la energía térmica rechazada o expulsada por las turbinas y otras fuentes y aprovecharla, ya sea en procesos de cogeneración o en ciclos combinados. Al extraer el calor de las corrientes de gas, las unidades de recuperación optimizan el consumo de combustible, aumentando la eficiencia del ciclo. Las unidades simples de recuperación de calor funcionan como intercambiadores de calor, transfiriendo la energía térmica de un sistema a otro. Estas unidades están caracterizadas por no poseer una fuente adicional de energía además de la turbina. Otras unidades más complejas se caracterizan por poseer fuentes de quemado adicional de combustible. Dependiendo del diseño de la instalación, del proceso de calentamiento y los requerimientos de potencia, podría ser necesario usar tanto la unidad que requiere quemado adicional de combustible como la unidad que no lo requiere, para el mismo sistema de potencia. Las unidades sin quemado adicional funcionan como intercambiadores de calor utilizando la energía de los gases calientes para producir vapor. La principal aplicación de las CRC es recuperar el calor desperdiciado de las turbinas a gas para producir vapor. El flujo de escape a través de la caldera puede ser tanto vertical como horizontal. Las configuraciones horizontales ocupan más espacio que las verticales, sin embargo las verticales, las cuales son más comunes en Europa, son menos vulnerables a problemas causados por fatiga térmica. Ambas configuraciones pueden ser diseñadas con múltiples circuitos para generar vapor a distintas presiones. La construcción de estos circuitos determina si la unidad es clasificada como caldera de tubos de fuego o caldera de tubos de agua. En las calderas de tubos de agua, el agua y vapor pasan por tubos expuestos a los gases calientes de escape. Este tipo de calderas pueden tener tres circuitos primarios de agua-vapor. Estos circuitos se conocen como evaporador, sobrecalentador y economizador. - El evaporador es el circuito más importante. A medida que el agua fluye por el evaporador, es calentada hasta su punto de saturación correspondiente a la presión de operación. La forma de los tubos del evaporador define la configuración de la CRC. A pesar de que es posible fabricar algunas calderas de tubos de agua en un taller y transportarlas al lugar de instalación completamente ensambladas, las calderas más grandes deben ser transportadas semiensambladas para luego ser armadas en el sitio de instalación.

27 17 - El sobrecalentador es utilizado para calentar el vapor saturado que es producido en el tambor o calderín. Normalmente está instalado delante del evaporador, donde está localizada la corriente más caliente de gas. - El economizador es utilizado para precalentar el agua de alimentación que es introducida en el sistema. Generalmente se encuentra detrás del evaporador, donde la temperatura del gas es más baja. El economizador calienta el agua hasta una temperatura ligeramente menor a la temperatura de saturación. Esta diferencia de temperaturas se denomina temperatura de acercamiento ( Approach Temperature ). Para reducir la corrosión producida en las calderas, se deben controlar las temperaturas de entrada en el economizador y la temperatura de salida de los gases a través de la chimenea. Las calderas con quemado adicional de combustible utilizan el oxígeno contenido en los gases de escape de la turbina, para crear una combustión con combustible suplementario. Los equipos para la combustión están colocados en el ducto que conecta la turbina con la caldera. Estos equipos están diseñados para elevar la temperatura del gas desde los 540 C a los 960 C. Incluir un quemador en una caldera, hace posible la variación de la cantidad de vapor producido, controlando el combustible suplementario. Esto es importante para procesos industriales que tienen demanda de vapor variable. El punto pinch (Pinch Point) y la temperatura de acercamiento (Approach Temperature) son importantes parámetros en el diseño de las CRC. Al reducir estos valores, se incrementará la eficiencia. Sin embargo, esta optimización requiere complicados cálculos de transferencia de calor y balances de masa del ciclo para evitar problemas. Además, estos valores determinarán el tamaño del equipo. Si queremos que los valores sean menores, entonces se requerirá mayor área de transferencia de calor, por consiguiente mayor tamaño y mayores costos.

28 18 Figura 2.5. Cambio de Temperatura del Vapor y del Gas a lo largo de la caldera. Para el diseño de las CRC, la primera decisión que se debe tomar es el tamaño de la turbina a gas. Generalmente, esta turbina proporcionará el 66% de la potencia generada por la planta, asumiendo que la CRC no actúa con quemado adicional de combustible [11]. Si se desea incrementar la potencia generada por la turbina a vapor, se puede colocar quemado adicional de combustible en la caldera. Una vez que se ha tomado la decisión del tamaño de la caldera y la turbina a utilizar, se procede a calcular la tasa de calor de la planta. Esto será un equilibrio entre el costo y la eficiencia Tipos de Calderas de Recuperación de Calor Esta clase de calderas se divide básicamente en dos tipos: - Flujo horizontal de gas, la cual a su vez se puede ser: Circulación natural Sin tambores (Once Through) - Flujo vertical de gas, la cual a su vez se puede ser: Circulación forzada Circulación natural Sin tambores (Once Through)

29 Calderas de Recuperación de Calor Horizontales con tambores (Horizontal Drum Heat Recovery Steam Generators) En este tipo de calderas el flujo expulsado por la turbina a gas circula horizontalmente. Los tubos de los intercambiadores están dispuestos de forma vertical. Estas unidades están diseñadas para que el flujo se desplace de forma natural en los evaporadores gracias a la diferencia de densidad entre el vapor y el agua. Los tambores son usados cuando se tienen varios niveles de presión en el proceso. Habrá tantos tambores como niveles de presión. En la figura 2.5 se pueden ver los dos tambores sobre la caldera. Figura 2.6. CRC Horizontal con tambores [8]. No necesitan estructura de soporte, siendo en conjunto una caldera más compacta y barata, ya que requiere poca estructura metálica de soporte al ir colgados los elementos del techo. El aislamiento suele ser interno para evitar el utilizar en la carcasa materiales aleados y juntas de dilatación. Conviene que el material aislante esté recubierto por una capa para protegerlo del impacto del agua o vapor en caso de rotura de tubos. Debido a la construcción compacta, gran parte de los tubos en el interior de los haces no son accesibles, por lo que en caso de rotura se debe abandonar el uso de dicho tubo. Otro inconveniente de este tipo de caldera es el drenaje inferior de los colectores y tubos del

30 20 recalentador y sobrecalentador, que puede provocar la acumulación de bolsas de agua que en los arranques podrían impedir la circulación. En los CRC horizontales, el ensamblaje cabezal/tubo es más rígido debido a la disposición de los conductos. Numerosas fallas se han encontrado durante operación debido a esto. Otro reto para la confiabilidad y durabilidad de los CRC horizontales incluyen: fatiga, particularmente en los sobrecalentadores de alta y media presión, los cuales están expuestos a un incremento de temperatura de más de 315 C en cinco minutos como resultado de la alta aceleración de la turbina durante el arranque; además, presentan problemas relacionados a la corrosión del lado del flujo del gas. Figura 2.7. CRC Horizontal con chimenea de Bypass [12].

31 Caldera de Recuperación de Calor Vertical con tambores (Vertical Drum Heat Recovery Steam Generators) En este tipo de calderas el flujo expulsado por la turbina a gas se mueve de forma vertical. Los tubos de los intercambiadores se encuentran dispuestos en forma horizontal. El flujo es desplazado de manera forzada, a diferencia de las calderas horizontales. En muy pocos casos la circulación es natural. La necesidad de bombas en los evaporadores aumenta los costos y mantenimiento. En la figura se pueden ver los tambores a ambos lados de la caldera. Este tipo de calderas requieren menos espacio para su instalación que las calderas del tipo horizontal. Figura 2.8. CRC Vertical con tambores sin quemado adicional de combustible [13]. En los CRC verticales, cada superficie de transferencia de calor tiene todos los cabezales del mismo lado. Por esto, los tubos pueden expandirse y contraerse longitudinalmente, sin ser bloqueados por otros cabezales. Todas las superficies de transferencia de calor de la caldera se encuentran colgadas unas a otras, y las suspensiones de las partes de presión se hallan en la parte más fría de la caldera. Este arreglo permite la libre expansión de forma vertical, evitando los esfuerzos debido a los cambios de temperatura. Además, la disposición de los tubos permite una mayor facilidad en casos de inspección y mantenimiento.

32 22 En este tipo de calderas el aislamiento suele ser interior, con protección de la capa aislante, o mixto, con recubrimiento interno de fibra cerámica en la parte superior donde los gases son más fríos. Aunque operacionalmente estas calderas no son tan especiales, las exigencias de control de calidad durante la construcción y la pureza del agua de alimentación son requisitos similares a los de las calderas horizontales, así como las limitaciones y precauciones en subidas y bajadas de carga. La forma normal de operación en este tipo de calderas es en presión deslizante, donde la presión del vapor fluctúa de acuerdo con el flujo de vapor, permaneciendo completamente abiertas las válvulas de la turbina. Esta forma de operación maximiza el rendimiento de la caldera a cargas parciales, ya que si decrece la producción de vapor, al reducirse el caudal y la temperatura de los gases de escape de la turbina de gas, también se reduce la presión, y con ella la temperatura de saturación, con lo que se consigue una alta vaporización y la recuperación de la mayor parte de la energía de los gases. Gracias a la experiencia con estos equipos, se puede decir que los CRC verticales responden mejor durante los arranques. Pero en términos de la carga base operacional, ambos tipos de caldera funcionan de manera equivalente [14] Calderas de un solo paso ( Once Through ) En este tipo de calderas el vapor o agua líquida pasa por un mismo camino, sin necesidad de tambores para separar los fluidos. El economizador, evaporador y sobrecalentador no están bien definidos. El punto de la interfaz líquido-vapor puede variar a lo largo del intercambiador dependiendo del flujo másico y del calor que se le esté imprimiendo. Pueden estar dispuestas de forma vertical u horizontal. Trabajan con solo nivel de presión. El tiempo de arranque en este tipo de calderas es mucho menor que en las calderas con tambor. Pueden ser instaladas de manera rápida, ya que la mayoría de las soldaduras se pueden hacer en la fábrica. Debido a que no presentan sistemas de purga, pueden ser más eficientes. No requieren de la chimenea de bypass, ya que pueden funcionar en seco, esto reduce los costos.

33 23 Figura 2.9. Esquema del proceso de calentamiento en CRC del tipo Once Through [13]. Figura CRC Horizontal del tipo Once Thorugh [12] Emisiones y Contaminantes de CRC Los principales contaminantes producidos por las turbinas a gas son NO x, CO y compuestos orgánicos volátiles. Una de las estrategias usadas comúnmente para restringir la formación del NO x, consiste en la inyección de agua o vapor durante la combustión, para reducir los niveles de temperatura en los cuales se minimiza la formación de dicho compuesto. Además se aplica el uso de quemadores premezclados. Estos quemadores están diseñados para proveer una mezcla precisa y controlada de combustible y aire previo a la combustión. Esta premezcla evita los puntos calientes donde se da la formación del NO x. Esta tecnología aún está siendo desarrollada. El método de Reducción Catalítica Selectiva (SCR Selective Catalytic Reduction) es un tratamiento post-combustión, del gas de escape de la turbina, en el cual amoníaco reacciona con

34 24 el NO x en presencia de un catalizador, para producir nitrógeno y agua. Este método es eficiente en aproximadamente un 80 y 90% [15]. El desempeño del catalizador es afectado por la temperatura del gas cuando se encuentran en contacto. Generalmente, los catalizadores operan eficientemente en un reducido rango de temperaturas. Para catalizadores de NO x, la temperatura del gas típicamente debe oscilar entre los 315 y 400 C; para los catalizadores de CO la temperatura deberá estar entre 480 y 650 C. El proveedor del catalizador específica estas temperaturas, lo cual dependerá de los materiales utilizados. A fin de alcanzar temperaturas dentro de dichos rangos a cualquier nivel de operación de la caldera, las superficies de transferencia de calor deberán estar divididas para encontrar una buena ubicación para el SCR. En la figura siguiente se puede ver que el catalizador se encuentra inmediatamente después del evaporador de alta presión: Figura CRC Horizontal con tres niveles de presión, catalizador y quemador adicional. [16] El catalizador también presenta una caída de presión, que deberá ser tomada en cuenta para el diseño de los equipos. El método SCR es relativamente costoso, por lo que se debe utilizar preferiblemente en grandes proyectos.

35 CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA En este capítulo se explicará la metodología empleada para desarrollar los documentos técnicos necesarios para la compra de una caldera de recuperación de calor para centrales termoeléctricas de ciclo combinado. El proyecto está dividido en tres fases. Cada una de estas fases se muestra en la figura 3.1: Fase 1: Verificación de la Información Ciclo Combinado Equipos Principales Calderas de Recuperación de Calor (CRC) Documentos Históricos de la Empresa Verificación de Información de Siemens Fase 2: Realización de Documentos Especificación Técnica Requisición de Materiales Vendor Data Requirements (VDR) Hoja de Datos Guía Técnica de Calderas de Recuperación de Calor Fase 3: Evaluación de Documentos Departamento de Ingeniería Mecánica Departamento de Automatización y Control Departamento de Procesos Figura 3.1 Fases del estudio.

36 26 Inicialmente, en la primera fase se realiza un estudio teórico y recopilación de información necesaria para obtener una visión más clara del trabajo a desarrollar. Se hará énfasis en el análisis de las calderas. Adicionalmente, como complemento del proyecto, se realiza la verificación de la potencia de ciertas configuraciones del ciclo combinado elaboradas por el fabricante (Siemens). Dicha verificación se llevó a cabo para luego, con la información proporcionada por Siemens, calcular la eficiencia del ciclo para cada configuración. En la segunda fase se llevará a cabo el desarrollo de los documentos, en donde se reflejarán las especificaciones técnicas, la requisición de los materiales, con sus anexos (VDR y hoja de datos), y una guía técnica de calderas de recuperación de calor. En la última fase, dichos documentos serán evaluados por los diferentes departamentos de la empresa relacionados con el proyecto Verificación de la Información La primera fase del proceso de investigación consistió en estudiar y entender el ciclo combinado, los equipos principales, las calderas y documentos similares creados por la empresa en proyectos anteriores. Este estudio se hizo para la plena comprensión del trabajo a realizarse, para lo cual se contó con fuentes secundarias y documentos internos de la empresa Ciclo Combinado A pesar de que el ciclo a utilizarse en el proyecto es del tipo Combinado con Tres Niveles de Presión y Recalentamiento, se hizo el análisis de las diferentes variaciones de ciclo Rankine y Brayton, cada uno por separado, y luego del ciclo combinado Equipos Principales Se investigó sobre los distintos equipos utilizados en el ciclo, dentro de los cuales se encuentran: turbinas a gas, turbinas a vapor, bombas centrífugas, sellos, válvulas, tipos de calderas, entre otros Calderas de Recuperación de Calor (CRC) Dado a que la realización de este informe se enfoca en las calderas, es de vital importancia concentrar el estudio en las mismas. Por ello se utilizarán diferentes fuentes bibliográficas para definir las Calderas de Recuperación de Calor para Generación de Vapor del tipo Horizontal, sin quemado adicional de combustible.