Automatización para la limpieza de precalentadores de aire regenerativos

Resumen

En este trabajo de investigación se estudiaron diversos artículos relacionados con la limpieza de los precalentadores de aire regenerativo los cuales normalmente se encuentran instalados en plantas termoeléctricas y son un factor importante en la producción eléctrica de este tipo de plantas de energía, en particular los que utilizan el fuel-oíl como combustible. Los gases de escape de la caldera contienen grandes cantidades de partículas, específicamente cenizas y el hollín que tienden a obstruir la canasta después de su uso continuado; esta obstrucción de la canasta restringe el flujo de aire de entrada y los gases de escape, lo que provoca una caída significativa en la eficiencia y un aumento en el consumo de combustible. En este campo del mantenimiento sé determinó que existen distintos procedimientos para atacar esta limpieza de los precalentadores de aire regenerativo, sin lograrse aún obtener un mejor método, debido a que los mismos sólo cumplen con el objetivo principal que es la limpieza.

Palabras Claves: Automatización, Precalentadores, aire, regenerativo, Ljungstrom

Introducción

En la industria eléctrica es práctica común de precalentamiento de aire el que entra a una caldera o generador de vapor y sé utiliza junto con una turbina-generador para dar energía eléctrica, el precalentamiento del aire de entrada utilizado para la combustión y la cantidad de combustible necesaria para producir una cierta cantidad de energía se reduce y por lo tanto la eficiencia de la caldera mejora. La entrada de aire se calienta a través de un tipo de intercambiador de calor conocido en la industria como un precalentador de aire. Los gases de escape, con un contenido de energía térmica procedente de la caldera, se utilizan para calentar una serie de elementos de intercambio de calor que se configuran en forma de una rueda porosa y se conoce comúnmente como una canasta. En las plantas de energía eléctrica, en particular las que utilizan el fuel-oíl como combustible, los gases de escape de la caldera contienen grandes cantidades de partículas, específicamente cenizas y el hollín que tienden a obstruir la canasta después de su uso continuado. Esta obstrucción de la canasta restringe el flujo de aire de entrada y los gases de escape, lo que provoca una caída significativa en la eficiencia. En este artículo se tratará de evaluar una solución a través de la automatización para la limpieza de los precalentadores de aire regenerativos de tipo Ljungström que se encuentran instalados en la planta termoeléctrica del Centro mejor conocida como Planta Centro.

Materiales y Métodos

Precalentadores de Aire

Los precalentadores de aire se utilizan para calentar el aire comburente y mejorar el proceso de la combustión en las plantas generadoras de vapor. Los humos constituyen la fuente energética, y el calentador recoge y utiliza el calor residual de los mismos, lo que incrementa la eficiencia global de la caldera un 5-10%. Existen dos tipos de precalentadores de aire donde cada uno lleva el nombre de su creador uno es Rothemühle Fig. 1 y el otro es el Ljungström Fig. 2. En este estudio solamente se nos enfocaremos en el último mencionado debido a que estos son los que se encuentran instalados en la Planta Centro.

El objetivo de los precalentadores [1] (también llamadas rueda de calor) es un componente importante de los sectores de energía intensiva, que se utiliza en la recuperación de calor para aumentar la temperatura del aire que se envía al hogar para la combustión, aprovechando parte del calor contenido en los humos antes que éstos lleguen a la chimenea.

[3]En estos precalentadores de aire regenerativo Ljungström los gases provenientes de la combustión traen partículas conocidas como Hollín y cenizas las cuales se adhieren y obstruyen la canasta evitando así la transferencia de calor y trayendo como consecuencia la disminución de la eficiencia de la caldera; esto, a su vez aumenta el consumo de energía dando lugar a pérdidas económicas ya que [2]este proceso de limpieza tarda mucho tiempo, desde los 25 a 50 horas para la limpieza de los mismos [4].

Fig.1 Precalentador regenerativo de aire Rothemühle

Estas pérdidas de energía contribuyen a una inflación de costos de producción y también una amenaza para el medio ambiente. Por lo cual se estudiará cual es el mejor método de limpieza para los precalentadores de aire regenerativos de forma automática que sea el más efectivo.

Fig.2 Precalentador regenerativo de aire Ljungström

Descripción Detallada del Equipo

El precalentamiento de aire regenerativo, se compone de 8 grupos constructivos principales, los mismos se mencionan a continuación:

• 1. Rotor.

• 2. Masa Acumuladora.

• 3. Suspensión del Rotor.

• 4. Construcción de soporte.

• 5. Caja.

• 6. Juntas.

• 7. Accionamiento.

• 8. Instalaciones auxiliares.

El rotor gira a 1.5 a 3 R.P.M, dentro del mismo se encuentra la masa acumuladora, la cual está compuesta por una serie de cestas, cada una de estas cestas están compuestas una serie de láminas que son el medio para la generación de los ciclos continuos de intercambio de calor basados en el principio de contracorriente, es decir, que los gases de combustión calientes que viene del proceso de combustión entran por un lado del rotor, mientras que por el otro entra aire, como resultado estos fluidos intercambian calor por medio del equipo a medida que el rotor va girando.

Descripción del funcionamiento del precalentador de aire Ljungstrom

El proceso se inicia cuando el aire del ambiente a una temperatura de 38 °C es introducido al sistema por los Ventiladores de Tiro Forzado (VTF) y es llevado por medio de los ductos a los Calentadores de Aire por Condensado (CAC), los cuales son intercambiadores de calor que utilizan la energía calorífica del condensado del vapor generado por la unidad, lo cual permite que el aire del ambiente adquiera una temperatura aproximada de 80 °C, de allí el aire pasa a los Calentadores de Aire a Vapor (CAV), los cuales son intercambiadores de calor que utilizan la energía calorífica del vapor generado por la caldera, lo cual permite que el aire eleve su temperatura a unos 140 °C y luego sea conducido a los precalentadores de aire regenerativo Ljungström.

El giro del rotor es el que genera ciclos continuos e interrumpidos de intercambio de calor entre los fluidos involucrados y los metales de la masa acumuladora, puesto que los gases de combustión que provienen de la caldera, ingresan al Ljungstrom con una temperatura aproximada de 371°C, estos intercambian calor con las cestas de la masa acumuladora que se encuentran en su trayectoria de salida y fueron enfriadas al entrar en contacto con el aire, mientras que por el otro ducto ingresa aire proveniente del equipo CAV que igualmente intercambia calor con las cestas que se interponen en su trayectoria y fueron calentadas por los gases de combustión. Los ciclos continuos de intercambio de calor disminuyen la temperatura de los gases de combustión a 140°C en la figura 3, mientras que el aire incrementa su temperatura hasta alcanzar 327°C, permitiendo de esta manera el ahorro de combustible del 18% [1; 27].

Figura 3- Proceso de precalentamiento de aire para el sistema de combustión de las calderas de Planta Centro.

Inconvenientes de los precalentadores de aire Ljungstrom

En la industria eléctrica existen problemas operacionales y de mantenimiento que en los precalentadores de aire Ljungstrom no escapan a ellos y por su funcionamiento los humos provenientes de la caldera contienen partículas hollín y cenizas que se adhieren en las canastas obstruyendo el flujo de aire por ensuciamiento. Esto se puede presentar en el lado caliente del precalentador, pero lo más normal es que se desarrolle en el lado frío, en donde las partículas de ceniza en polvo se adhieren a la superficie calefactora o masa acumuladoras con más facilidad, por estar humedecida con ácido. La obstrucción incrementa la caída de presión en el calentador, y puede provocar una limitación de la carga en la unidad generadora de vapor, haciéndola funcionar a una carga menor que la nominal cuando los ventiladores alcanzan su máxima capacidad.

Este taponamiento también genera corrosión en el lado frío de los elementos calefactores. En una caldera, parte del SO2 producido se convierte en SO3 y éste se combina con la humedad para formar vapor de SO4H2; este vapor condensa en las superficies que tengan temperaturas inferiores a la del punto de rocío, entre 120 ºC a 150ºC; la temperatura del metal, en el lado frío del precalentador, es de 93ºC, por lo que existe riesgo de corrosión[6], la erosión de la laminas calefactoras se produce a causa del impacto de las partículas de ceniza en polvo que arrastran los humos a alta velocidad. La erosión se presenta en zonas próximas a la entrada de humos, que es donde las velocidades resultan.

la limpieza de la canasta de precalentador de aire, ha sido problema importante ya que el proceso de limpieza tarda aproximadamente de 25 a 50 horas [18] y es una causa significativa de tiempo de inactividad de la industria eléctrica lo que incrementa los costos. Los métodos de limpieza incluyen el uso de mangueras de incendio y la presión de aire para eliminar las cenizas volantes de las canastas, pero estos métodos sólo han tenido un éxito parcial. Por otra parte, la sustitución de las canastas ha sido otra solución al problema de la baja eficiencia causada por una canasta de precalentador de aire obstruido, sin embargo esto es muy costoso en términos de tiempo de inactividad y los gastos [2].

Impurezas del combustible

El azufre constituye la impureza más perjudicial contenida en el combustible, pues provoca una intensa corrosión de las superficies de baja temperatura, dada por la presencia en los gases de la combustión de SO2 (y tal vez algo de SO3 si las condiciones son favorables para su formación) lo que acarrea la formación de ácido sulfúrico que ataca el metal de las superficies de transferencia de calor.

Existen algunos tipos de aceites combustibles pesados: el más generalizado es el Mazut-40 que procede de Rusia y el Bunker-C de Antillas Neerlandesas. Los resultados son alentadores pero se crean serios problemas de corrosión. El contenido de azufre es una propiedad de suma importancia, pues decide las propiedades corrosivas de los gases producto de la combustión; para el aceite combustible pesado el contenido de azufre oscila en el rango:

S = 0,5 – 6 %

Procesos de limpiezas

Dentro de los métodos utilizados para la limpieza de los intercambiadores de calor regenerativo esta los comunes que se realizan [4] incluyendo el uso de mangueras de incendio y la presión de aire para eliminar las cenizas volantes de las canastas, pero estos métodos sólo han tenido un éxito parcial. Por otra parte, en sustitución de las canastas ha sido otra solución al problema de la baja eficiencia causada por una canasta de precalentador de aire obstruido, sin embargo esto es muy costoso en términos de tiempo de inactividad y los gastos. Y otro [5] método de limpieza depende de corte fluido por sí sola es poco probable ser capaz de eliminar el depósito endurecido o bien la acción mecánica se requiere o la exposición a agentes químicos para convertirlo a una forma más suave extraíble, fácilmente soluble en agua o más. Los estudios de limpieza demuestran que las combinaciones de productos químicos y limpieza mecánica pueden ser mejores que la limpieza mecánica sólo para ciertas combinaciones de parámetros. Aunque este trabajo de investigación no específica que tipo de productos químicos utiliza como los medios mecánicos para esta función. La siguiente investigación propone que las paradas de plantas pueden ser evitadas [6]si la limpieza de los intercambiadores de calor se aplica. Los siguientes problemas de limpieza en línea de intercambiador de calor, podrían considerarse:

• Programación de las intervenciones de limpieza en los intercambiadores de calor de forma continúa.• Diagnóstico de la formación de depósitos en los intercambiadores. Este artículo trata sobre la programación de las intervenciones de limpieza. Al principio, el modelo matemático de la influencia de las incrustaciones en intercambiadores de calor y la operación se describe e ilustra por un ejemplo de su aplicación.

Estos métodos aunque son predictivos no brindan una solución eficaz al objetivo principal que es la limpieza automatizada de estos intercambiadores de calor, claro está, da un aporte sobre los métodos de trabajo e inspección parte fundamental para evitar paradas innecesarias. [2] Una herramienta de limpieza en donde un operador simplemente entra en los parámetros de la operación de limpieza y el ordenador calcula la información requerida sobre la base de los parámetros y controla automáticamente la operación de limpieza e incluye el uso de control lógico programable (PLC) para mover una boquilla de alta presión de agua a lo largo de una barra que extiende radialmente desde el centro del rotor como se muestra en la fig.4.

Fig.4 Limpieza de precalentadores de aire

[3] Para limpiar automáticamente un precalentador de aire utilizando el poder totalmente neumático y lógica de control. El sistema de control de velocidad variable permite que la velocidad de los chorros de agua de limpieza, con respecto a la superficie a limpiar, a ser constante independientemente de la posición de los chorros de agua a lo largo del radio de la canasta o el conducto de aire de entrada. Este sistema de limpieza aunque posee un sistema de control de velocidad y posición no indica que tipo de control utiliza para la automatización.[7] Se refiere a los limpiadores de brazo móvil de precalentadores de aire regenerativos rotativos adaptados para suministrar diferentes medios de limpieza a diversas presiones a la unidad de la boquilla en el extremo del brazo específicamente incluida el agua de alta presión. Más concretamente, la unidad de la boquilla está dispuesta para la descarga por separado de los diferentes medios de limpieza y en particular para descargar el agua a alta presión a través de una pluralidad de boquillas de alta presión.

Estas técnicas de limpieza son ampliamente utilizadas en la industria del mantenimiento en plantas eléctricas y poseen un período de limpieza mensual o trimestral según la programación del mismo. Sobre la automatización creo que es recomendable un sistema SCADA es un sistema basado en computadores que permite supervisar y controlar a distancia una instalación de cualquier tipo. A diferencia de los Sistemas de control Distribuido, el lazo de control es generalmente cerrado por el operador. Los Sistemas de control distribuido se caracterizan por realizar las acciones de control en forma automática. Hoy en día es fácil hallar un sistema SCADA realizando labores de control automático en cualquiera de sus niveles, aunque su labor principal sea de supervisión y control por parte del operador. Lo cual permite un control de estos intercambiadores en tiempo real y evitar paradas de plantas y mantener una eficiencia optima del mismo.

Método de limpieza de los precalentadores de aire Ljungstrom

Los procedimientos de limpieza para este tipo de intercambiador de calor regenerativo se realizan con dispositivos mecánicos automatizados empleados con controladores de velocidad reguladores de fluidos para lo cual emplean boquillas de inyección de flujo y que pueden utilizar agua a alta presión, vapor saturado o aire comprimido en [2; 6; 13; 14; 18; 37] estos artículos no especifican el periodo de limpieza, ni el caudal que manejan las boquillas solo indican el tiempo total de limpieza que es de 48 a 72 horas según el grado de suciedad de las canastas. Las empresa de servicio industrial dedicas a esta asistencia a la industria eléctricas dan el periodo de limpieza que puede ser de 24 a 72 horas según la suciedad de las canastas, emplean dispositivos mecánicos automatizados con boquillas de pulverizadoras cuyo número va de 2 a 4 boquillas mayormente utilizan agua con solvente para la limpieza y caudales grandes de agua que va 200 a 600 GPM, estas aplicaciones se utilizan en plantas termoeléctricas con la caldera utiliza combustible fósiles o gas natural[3; 4; 8; 9; 11; 16; 20; 21; 24; 26; 28]. Otra aplicación es la utilización de nitrógeno líquido para la limpieza de canasta utilizando equipos de alta presión el primer inconveniente son las bombonas de nitrógeno que hay que emplear y costo de este producto y el segundo es el tiempo de aplicación se realiza manual lo que incrementa considerablemente el tiempo para la limpieza[19]. El mejor procedimiento para la limpieza es realizarla con dispositivos automatizados del alta presión con agua o vapor con valores de presión entre de 250 a 500 bar con controles de supervisión como medir la presiones de operación, temperatura instalados sobre el precalentador de aire Ljungström de manera que indiquen cuando debe iniciarse la limpieza y como un medidor de pH que indica cuando debe detenerse esta, elaborar un plan de mantenimiento preventivo de limpieza con periodos de cada trimestral de manera tener una producción limpia como se establece en [23], con ello se garantiza una mayor vida útil de la canastas una buena efectividad térmica con un buen rendimiento global de la planta con este se genera un ahorro de combustible y al eliminar su impacto contribuye a la conservación del medio ambiente.

Ventajas de los precalentadores

La eficiencia de la combustión se eleva con la utilización de aire caliente.

La combustión a bajas cargas se ve favorecida y se estabiliza producto de una mejor ignición.

Se logra el uso de cargas térmicas mayores en el horno, producto de la aceleración de la combustión; esto permite la disminución del volumen del horno y de hecho calderas más compactas y más económicas.

Se mejora la transferencia de calor en el horno producto del incremento de la temperatura que favorece la radiación.

La eficiencia general de una caldera se incrementa dada la disminución de las pérdidas de calor con los gases y el mejoramiento de la combustión.

El aire caliente ayuda al secado de los combustibles de alta humedad. En relación con los economizadores, reclaman tubos de menor espesor por estar sometidos a presiones casi atmosféricas.

Resultados y discusión

Dentro del estudio bibliográfico que se lleva hasta los actuales momentos existen diversos estudios de modelos matemáticos que dan una predicción casi exacta de cómo mejorar la eficiencia de un precalentador de aire regenerativo, lo que no indica de forma precisa es como realizar una limpieza eficiente del mismo, ya que este tipo de investigación se lleva más a la parte comercial que científica, dentro de los resultados obtenidos en este artículo, se encuentra que los métodos de limpieza empleados de forma mecánica utilizan boquillas de alta presión con agua o vapor y con un sistema de control lógico, de estos textos revisados controlan parámetros en la relación hombre máquina de manera de hacer más efectivo el trabajo de limpieza. Para un gran avance en esta materia seria la implementación de sistema scada o inteligencia artificial para lograr un proceso optimo.

Conclusiones

Los métodos de limpieza para lo precalentadores de aire se han venido desarrollando cada vez más en la industria eléctrica cuyo motivo es mantener la operatividad de la planta y por la gran demanda existente de la energía eléctrica que hay a nivel nacional por el crecimiento de la población. Por tanto es necesario una producción eléctrica continua mayormente, por tal demanda todos los equipos de instalados en la planta deben trabajar eficientemente en conjunto con los intercambiadores de aire regenerativo. Aunque existen diversos métodos de limpieza de forma automatizada los cuales normalmente no utilizan un monitoreo continuo por lo cual caemos en el mismo problema, y cambiar la canastilla resulta más costoso, por lo cual debe realizarse una limpieza continua de manera de realizar una producción más limpia y mantener una producción eléctrica eficiente.

El inconveniente que es la suciedad de las canastas debido al cúmulo de partículas que terminan por obstruirla y por esto se genera una caída de la transferencia de calor en esta unidad y pérdidas de generación eléctrica.

El precalentador de aire Ljungstrom en su proceso operacional es donde se realiza el aprovechamiento energético dentro de una planta termoeléctrica, ya que genera una ganancia que es proporcional entre eficiencia de la unidad generadora de vapor y ahorro de combustible.

Los procesos con dispositivos automatizados son los más efectivos para la limpieza del precalentador de aire Ljungstrom y se hacen en un tiempo optimo.

Estableciendo un plan de manteniendo preventivo para el precalentador de aire Ljungstrom y se tendría un buen funcionamiento con un aumento de la vida útil de las canastas calefactoras, en un mejor aprovechamiento de la unidad.

Al mantener una buena efectividad térmica de operación en el precalentador de aire Ljungström se disminuye el impacto ambiental, logrando así una conservación del medio ambiente.

Referencias

• [1] Wu, Z., R.V.N. Melnik, and F. Borup, Análisis basados ??en modelos y simulación de wheelÇ calor regenerativos. Energy and Buildings, 2006. 38(5): p. 502-514.

• [2] Ginn, C.C.H., TX) Precalentador de aire método de limpieza. 1994 Butterworth Jetting Systems, Inc. (Houston, TX)

• [3] Allen, J.T.D., OK), Pitts, Alan J. (Comanche, OK), Roberts, Don M. (Coppell, TX), Cogbill, Randall B. (Ft. Smith, AR) Precalentador de aire de chorro de agua aparatos de limpieza (Air preheater wáter jet cleaning apparatus).

• [4]  Nguyen, T.Q., J.D. Slawnwhite, and K.G. Boulama, Generación de energía del calor residual industrial. Energy Conversion and Management, 2010. 51(11): p. 2220-2229

• [5] Pogiatzis, T., et al., La identificación de los ciclos de limpieza óptimo para intercambiadores de calor sujetos a la suciedad y el envejecimiento. Applied Energy, 2011. In Press, Corrected Proof

• [6] Markowski, M. and K. Urbaniec, Óptimo programa de limpieza para intercambiadores de calor en una red de intercambiadores de calor. Applied Thermal Engineering, 2005. 25(7): p. 1019-1032.

• [7] Fierle, K.M.W., NY), Sorochin, Adam C. (Wellsville, NY) Precalentador de aire regenerativo más limpio. 2000, ABB Air Preheater, Inc. (Wellsville, NY)

• [8] Hugh C. Atchison; Bobby G. Simmons, Alta energía de lavado de precalentador de aire Ljungstrom. 1981, The Dow Chemical Company Middland, Mich.

Autor:

Víctor Rodríguez