El circuito agua - Perla Azucena Soler

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7.3 El circuito agua-vapor
El objetivo principal de este circuito es el de suministrar vapor. Los elementos principales del circuito agua-vapor son:
El economizador, que recibe el agua de alimentación de la caldera para un calentamiento previo.
El calderín, que junto con las pantallas vaporizadores constituyen el sistema generador de vapor. El calderín sirve de reserva de agua para los circuitos generadores de vapor y como cámara de mezcla del agua de alimentación y la de recirculación que procede de las paredes de agua.
Los sobrecalentadores primario y secundario, cuya misión es elevar la temperatura de vapor producido, aumentando su contenido energético.
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El recalentador intermedio, que recibe el vapor que ha pasado por la etapa de alta presión de la turbina elevando de nuevo la temperatura del vapor. A su salida alimenta el cuerpo de la turbina de media presión y baja presión.
El circuito agua-vapor consta, por lo tanto, de caldera, con sus etapas de vaporización, sobrecalentamiento, recalentamiento, turbina, condensado y de drenaje, desgasificador y economizador.
7.3.1 La caldera
En la caldera, el agua que procede del economizador se calienta hasta la temperatura de ebullición.
Atendiendo a la manera en que el agua circula en la caldera, éstas se pueden clasificar en calderas de:
· Circulación natural
· Circulación forzada
· Circulación asistida
Las calderas de circulación natural funcionan aprovechando el efecto de termosifón. En efecto, al calentarse los tubos de la pared fría, básicamente por radiación, la densidad del agua en su interior disminuye y se pone en circulación por la diferencia de peso entre el agua de los tubos bajantes A y los de la pared de tubos B (figuras 7.3.1.1 y 7.3.1.2).
Los tubos de la pared de agua (figura 7.3.1.3) llevan ésta desde el colector inferior al colector superior y de allí va a parar al calderín (figura 7.3.1.4). Dependiendo la velocidad de circulación solamente del flujo térmico del circuito.
R
Fig. 7.3.1.1 Principio de funcionamiento de la circulación natural.
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Fig. 7.3.1.2 Principio de funcionamiento de la circulación natural.
Enlace esquemático de 15 tubos de liberación de vapor entre el cabezal y el calderín
	55,20
Colector
S, de liberación
de vapor
Pantalla lateral del
sobrecalentador
secundarlo: 17 tubos
45,80
i Parte frontal
I de la pantalla
159 tubos
Parte posterior
de
la pantalla
lateral: 34 tubos
Enlace esquemático calderín cabeza! de pantalla '
Tabique
-I.L1
x11 tubos
Ancho de la pantalla 7,238 m 93 tubos unidos
Parte
formando un
costado
de una tolva
de cenizas
Cabezal
de alimentación
Fig. 7.3.1.3 Esquema de pared de tubos.
En el calderín se lleva a cabo la separación del vapor seco de las gotas de agua líquida que vuelven a recircular por los tubos bajantes (downcomers). El gasto de agua en forma de
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vapor seco que sale del calderín se compensa por un aporte de agua al mismo procedente del economizador.
A medida que aumenta la presión de la mezcla vapor-agua, disminuye la diferencia de densidades entre las ramas caliente y fría, y por tanto la circulación en la caldera se ve dificultada. A partir de presiones del orden de los 200 bar apenas existe circulación natural, por lo que el sistema deja de funcionar correctamente.
Salida del vapor del calderín
i—:—■ „i	'-ntador
Llegada de la emulsión
Alimentación de agua procedente del economizador
Separador primario
del tipo ciclónico
Fig. 7.3.1.4 Esquema de un calderín.
Nivel normal
Tubo de bajada (downcomersj
Salida del agua del calderín
hacia las pantallas vaporizadores
Para hacer frente, entre otros, al inconveniente antes mencionado, se utilizan sistemas de circulación asistida, que permiten trabajar con presiones más elevadas y mayor flexibilidad de funcionamiento, sobre todo durante los períodos de arranque y de variación de carga. En estos sistemas, se mantiene la circulación en el circuito dentro de los límites de funcionamiento por medio bombas de agua instaladas en los tubos bajantes (figura 7.3.1.5).
Las calderas de circulación forzada se denominan también generadores de vapor, calderas de circuito abierto, calderas de flujo unidireccional o monotubulares. En ellas el agua es impulsada únicamente por bomba de alta presión, y conforme va recorriendo los tubos de la pared de agua se calienta, se evapora y se sobrecalienta.
Pueden trabajar a presiones superiores a la crítica (alrededor de los 230 bar) y, dado que el vapor que sale se encuentra en estado seco, no necesitan calderín. Sin embargo, para el proceso de arranque, disponen de un separador de vapor (figura 7.3.1.6). Generalmente no se emplean calderas de circulación forzada para presiones inferiores a los 80 bar.
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Fig. 7.3.1.5 Caldera de circulación asistida La Mont.1= Economizado; 2 = Recalentador; 3 = Vaporizador; 4 = Bomba de alimentación de la caldera; 5 = Pantalla de tubos de agua; 6 = Bomba de circulación; 7= Colectores; 8 = Calderín.
Fig. 7.3.1.6 Secciones verticales de un generador de vapor ( circulación forzada) monotubular Sulzer. (Presión de vapor 148 bar, temperatura del vapor recalentado 546 tC, potencia de vaporización 185 t/h ): 1 = Vaporizador; 2, 3, 4 y 5= Recalentadores; 6 y 7 = Recalentadores intermedios; 8 = Economizado^ 9 = Precalentador de aire; 10 = Quemadores de polvo de carbón; 11 = Quemadores de fuel-oil; 12 = Extractor húmedo de cenizas.
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7.3.2 El condensador y el circuito de agua de circulación
El vapor de agua con un pequeño contenido de humedad procedente de la etapa final de baja presión de la turbina pasa a través de un recipiente vacío de aire denominado condensador. Su misión es licuar el vapor de agua que llega a él y devolverlo por medio de las bombas de circulación de condensado a la caldera. El condensador constituye el foco frío del ciclo termodinámico.
Las ventajas que se pueden obtener de utilizar una instalación condensadora son:
a) Disminuir la temperatura final del vapor con lo que aumenta el rendimiento.
b) Disminuir la presión de escape del vapor con lo que aumenta la energía utilizable (aumenta el salto entálpico en la turbina).
c) Recuperar el vapor condensado para utilizarlo como agua de alimentación de la caldera.
En las centrales térmicas se utilizan los siguientes tipos de condensadores:
a) Condensadores de superficie.
b) Condensadores de chorro.
a) Condensadores de superficie: Es el tipo más utilizado en las grandes centrales térmicas. En ellos el vapor se condensa en la parte externa de unos tubos por los que fluye el agua de circulación que actúa como agente refrigerante del condensador. Es decir que en ellos no se produce mezcla, ni contacto directo, entre el agua de refrigeración y el vapor a condensar, por lo que el condensado es de gran pureza.
La presión absoluta del condensador suele ser del orden de los 33 robar. Este vacío se produce por medio de eyectores de aire que son bombas de chorro (efecto Venturi) que aspiran el aire y los gases no condensables y los evacúan a la atmósfera.
Estos eyectores actúan utilizando como elemento impulsor vapor a presión conveniente extraído del proceso. El de la figura 7.3.2.1, consta de dos escalones, con sus respectivos condensadores, el intermedio y el posterior, para recoger y recircular hacia el circuito principal el vapor de agua condensable. Los gases no condensables que entran por la boca del primer eyector son comprimidos y arrastrados al condensador intermedio. Allí se enfrían y son lanzados a través del segundo eyector siendo nuevamente comprimidos y enviados al condensador posterior, en el que la presión es superiora la atmosférica por lo que ya pueden ser expulsados fácilmente a la atmósfera.
Para obtener un funcionamiento adecuado de un condensador de superficie ha de extraerse el condensado de forma continua. Para tal fin se utilizan bombas centrífugas (bombas de condensado).
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Vapor impulsor
Drenaje al
vacío
Entrada de agua refrigerante
Entrada de
agua
refrigerante
Entrada de aire
y vapor p
Condensador posterior
Fig. 7.3.2.1 Eyector Ingersoll fíand de dos escalones.
Vapor impulsor
Segundo eyector
Escape del agua refrigerante
Escape del agua refrigerante
Drenaje al exterior
Escape a la atmósfera
Válvula
aislante
intermedio
7.3.2.1 Instalaciones refrigeradoras del agua de circulación del condensador
El agua de circulación debe evacuar el calor que se desprende en la condensación del vapor de escape en el condensador. Asimismo, se puede dar el caso de que el agua de circulación se utilice para satisfacer las necesidades de refrigeración de otros equipos auxiliares de la central (figura 7.3.2.1.1). Para que el circuito del agua de circulación cumpla dicho cometido se pueden adoptar las siguientes disposiciones básicas: Circuito abierto, circuito cerrado y circuito mixto.
En el circuito abierto se toma agua fría de un río, lago o del mar y por medio de las bombas de circulación se envía al condensador. El agua que sale del condensador se descarga, en el caso de río, en un punto situado aguas abajo de la toma, y en el caso de un lago o del mar, en un punto suficientemente alejado como para considerar que este agua no es recirculada.
Cuando el río o el lago no tienen capacidad suficiente para evacuar el calor que se desprende de la central térmica sin que se produzcan aumentos excesivos de la temperatura del condensador o del agua del río o del lago, se recurre a circuitos cerrados y mixtos.
En este caso, que se presenta frecuentemente, por ejemplo en las centrales de lignito, que por razones de economía deben instalarse a boca de mina, donde no siempre existen cursos de agua de capacidad suficiente, el calor extraído del condensador debe ser cedido a la atmósfera por medio de una torre de refrigeración.
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Centrales eléctricas
de baja presión
AA
Fig. 7.3.2.1.1 Esquema de una instalación refrigeradora completa: AT, MT, BT1 y BT2 = Turbinas de alta, media, baja y baja presión ; GE - Generador refrigerado por hidrógeno. CP, Cl y CS = Condensadores principal, intermedio y de salida; EY1 y EY2 = Eyectores; PU1 y PU2 = Purgadores; BA - Bomba de agua de alimentación; TR - Torre de refrigeración; AA = Aporte de agua a la torre de refrigeración; BR = Bomba de agua de refrigeración; RH = Refrigeradores de hidrógeno.
Cuando se trata de circuitos de agua de circulación cerrados, la única aportación exterior de agua es la necesaria para compensar las pérdidas por evaporación y por fugas. El enfriamiento del agua de circulación se realiza por medio de dispositivos atmosféricos.
El circuito mixto es una combinación de los anteriores, es decir, solo se recircula una parte del agua de circulación, el resto se evacúa al río o lago.
El principio de funcionamiento de una torre de refrigeración es el siguiente (figura 7.3.2.1.2). El agua procedente del condensador es llevada a la parte superior de la torre y distribuida por medio de una red de tuberías provistas de toberas por las que cae en forma de lluvia fina a un estanque inferior. Durante la caída las gotas de agua ceden su calor a una corriente de aire que fluye en sentido contrario. El agua refrigerada del estanque inferior se recircula al condensador por medio de las bombas de circulación.
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Las torres de refrigeración se pueden clasificar por:
- El tipo de tiro: Natural, inducido y forzado.
- El flujo: A contracorriente y cruzado.
Fig. 7.3.2.1.2 Corte esquemático de una torre de refrigeración por aíre forzado.