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Funcionamiento de la caldera de recuperación de calor

La caldera de recuperación de calor o HRSG (heat recovery steam generator) en un ciclo combinado es el elemento encargado de  aprovechar la energía de los gases de escape de la turbina de gas transformándola en vapor. Con posterioridad, ese vapor  puede transformarse en electricidad por una turbina de gas, ser utilizado en procesos industriales o en sistemas de calefacción centralizados. 

Las calderas de recuperación de calor pueden clasificarse en calderas con o sin postcombustión y en calderas horizontales o verticales y también por el número de veces que el agua pasa a través de la caldera conocidas como OTSG (One Time Steam Generator). 

Las partes principales de una caldera de recuperación de calor son: 

  • Desgasificador, es el encargado de eliminar los gases disueltos en el agua de alimentación, oxigeno principalmente y otros gases que nos podría provocar corrosiones. 
  • Tanque de agua de alimentación, deposito donde se acumula el agua que alimenta a nuestro sistema, esta agua debe ser muy pura para evitar impurezas que nos podrían obstruir los conductos, erosionarlos o corroerlos por las sustancias que llevasen con ellos. 
  • Calderín, es el lugar de donde se alimenta el evaporador de agua y el sobrecalentador de vapor. Puede haber diferentes tipos de calderines según la turbina de vapor que alimenten ya sean de baja, media o alta presión. 
  • Bombas de alimentación, son las encargadas de enviar el agua desde el tanque de agua de alimentación a su calderín correspondiente. 
  • Economizadores, son los intercambiadores encargados de precalentar el agua de alimentación con el calor residual de los gases de escape, aprovechando su energía con lo que aumentamos el rendimiento de nuestra instalación y evitamos saltos bruscos de temperatura en la entrada de agua. 
  • Evaporadores, son intercambiadores que aprovechan el calor de los gases de escape de temperatura intermedia para evaporar el agua a la presión del circuito correspondientes, la circulación del agua a través de ellos puede ser forzada o natural, en la forzada se utilizan bombas y en la natural el efecto termosifón, aunque también se usan bombas en los momentos de arranque o cuando sea necesario, devolviendo el vapor al calderín. 
  • Sobrecalentadotes y Recalentadores, son los intercambiadores que se encuentran en la parte más cercana a la entrada de los gases procedentes de la combustión en la turbina de gas, el vapor que sale ya esta listo para ser enviado a la turbina de vapor, este vapor debe ser lo más puro posible y debe ir libre de gotas de agua que deteriorarían nuestra turbina, también debemos tener controlada la temperatura y presión del vapor para evitar estrés térmico en los diferentes componentes.
Figura 1. Esquema del sistema de recuperación de calor
 
Donde: 
 
1)      Compresor. 
2)      Turbina de Gas. 
3)      By-pass 
4)      Sobrecalentador o recalentador. 
5)      Evaporador. 
6)      Economizador. 
7)      Calderín. 
8)      Turbina de gas 
9)      Condensador. 
10)    By-pass de vapor. 
11)    Depósito de agua de alimentación/ Desgasificador. 
12)    Bomba de alimentación. 
13)    Bomba de condensado. 
  
   
  
Calderas de recuperación de calor con y sin postcombustión. 
  
  • La caldera sin  postcombustión es el tipo más común de caldera utilizada en los ciclos combinados. Esencialmente es un intercambiador de calor en el que se transfiere el calor de los gases al circuito agua-vapor por convección. 
  • En lo que se refiere a las calderas con postcombustión, aunque pueden construirse calderas de recuperación con quemadores y aporte de aire adicional, las modificaciones constructivas normalmente se limitan a la instalación de quemadores en el conducto de gases a la entrada de la caldera. Ello permite que se pueda utilizar el exceso de oxígeno de los gases de escape de la turbina, sin sobrepasar temperaturas admisibles para la placa de protección interna del aislamiento, temperaturas superiores a 800 ºC y sin modificar, de forma importante, la distribución de superficies de intercambio de la caldera sin postcombustión. Estas calderas normalmente llevan atemperadores de agua pulverizada para regular la temperatura del vapor. 
  
    
Calderas de recuperación de calor horizontales y verticales. 
  
  1. Calderas de recuperación de calor horizontales. 

Figura 2. Caldera horizontal

  
La caldera horizontal es aquélla en la que el gas, a la salida de la turbina, sigue una trayectoria horizontal a través de los distintos módulos de sobrecalentamiento, recalentamiento, vaporización y calentamiento de agua, hasta su conducción a la chimenea de evacuación. 
 
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 chapa 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 recalentador y sobrecalentador, que puede provocar la acumulación de bolsas de agua  que en los arranques podrían impedir la circulación. Por su diseño debemos cuidar  los siguientes detalles constructivos y operativos: 
  
  • La pérdida de carga de los gases a lo largo de la caldera debe ser inferior a 300 milímetros de columna de agua. 
  • Debe cuidarse especialmente la calidad de los materiales empleados en los módulos más calientes. 
  • Deben seguirse procedimientos estrictos de soldadura y de control de calidad: radiografiado, ultrasonidos e inspección visual, especialmente en las soldaduras de los tubos verticales con los colectores de los módulos más calientes, tanto por la falta de acceso para reparaciones como por el hecho de estar sometidos a mayores tensiones térmicas susceptibles de provocar roturas. 
  • Debe eliminarse las tensiones residuales de las curvas de los tubos a 180 ºC y las durezas iniciadoras de las grietas. 
Durante la operación de estas centrales, en este tipo de calderas se debe prestar especial atención a lo siguiente: 
  • Debe seguirse un procedimiento estricto de conservación durante periodos de paradas prolongadas, para evitar que el agua que se nos quede en los tubos pueda corroer los materiales. 
  • Se debe establecer procedimientos periódicos de limpieza química, para eliminar incrustaciones y acumulaciones de material no deseado. 
  • Debe seguirse el procedimiento de operación en arranques rápidos, para evitar posibles problemas. 
  • Se debe disponer de un plan de inspecciones periódicas en aquellas soldaduras de tubo a colector sometidas a mayor grado de fluencia o fatiga térmica, colectores de salida del sobrecalentador y recalentador y colector de entrada al economizador. 
  • Debe vigilarse cuidadosamente los parámetros químicos del agua de alimentación, especialmente el contenido de oxígeno y la posible contaminación por roturas de tubos en el condensador, para evitar corrosiones. 
  • En las revisiones mayores se debe inspeccionar interiormente algún tubo de los evaporadores en la parte alta, para ver si han formado depósitos sólidos que impidan una correcta transmisión del calor. 
  • Se deben respetar las rampas de subida y bajada de temperaturas recomendadas por el fabricante.
  • Debe mantenerse un flujo continuo de agua en el economizador durante los arranques para evitar los choques térmicos en el colector de entrada. Asimismo, debe controlarse la presión en el economizador a bajas cargas para evitar la formación de vapor. 
  • Debe vigilarse que los indicadores de tensión de los soportes de las tuberías principales estén dentro del rango de valores admisibles. 
2. Calderas de recuperación de calor verticales
 
 
 
Figura 3. Caldera Vertical 
  
Este tipo de calderas son parecidas en su configuración a las calderas convencionales, constan de una estructura sobre la que apoyan los calderines y de la que cuelgan los soportes de los haces horizontales de tubos. En estas calderas, los tubos dilatan mejor, no están sometidos a tensiones térmicas tan elevadas, y son más accesibles para inspección y mantenimiento. 
 
Algunas calderas verticales tienen circulación forzada, otras circulación asistida en los arranques, y la tendencia es a diseñarlas con circulación natural, lo que implica elevar la posición de los calderines para conseguir que la diferencia de densidad entre la columna de agua de los tubos de bajada del colector o down commers y de los tubos de salida del colector del evaporador al calderín o risers, asegure la circulación a través de los tubos evaporadores horizontales. 
 
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. 
  
  
3. Calderas de un solo paso o OTSG (One Time Steam Generator) 
 
 
Figura 4. Caldera OTSG 
  
 
En este tipo de calderas el agua pasa una sola vez por caldera, dando nos la temperatura y presión deseadas, suelen ser utilizadas para procesos industriales, parecen tener un buen futuro por sus propiedades de operación y mantenimiento que son más sencillas que los dos tipos anteriores.

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