Instalaciones típicas

Se deben tener en cuenta una serie de consideraciones importantes al instalar desuperheaters. Este tutorial cubre temas como la calidad del agua y el control de presión. También se incluyen una tabla de selección de desuperheater y una lista de aplicaciones.

Instalación

Hay una serie de consideraciones importantes a tener en cuenta al instalar un desuperheater,

a saber:

• Las propiedades del agua refrigerante.
• La instalación del desuperheater mismo.
• Los accesorios requeridos.
• Las válvulas de control usadas en la línea de agua refrigerante y la línea de vapor sobrecalentado. Una instalación generalizada de un desuperheater en línea se muestra en la Figura 15.4.1.

Propiedades del agua refrigerante:

• Temperatura - El desuperheating más efectivo se logrará usando agua refrigerante caliente, preferiblemente lo más cercana posible a la temperatura de saturación. Sin embargo, temperaturas de agua refrigerante tan bajas como 5°C podrían usarse si es absolutamente necesario. El uso de agua caliente tiene las siguientes ventajas:
• Minimiza el período de tiempo durante el cual las partículas de agua están suspendidas en el vapor.
• Se evapora más rápidamente.
• Minimiza la cantidad de agua que cae a las paredes internas de las tuberías. Sin embargo, hay dos desventajas al usar agua refrigerante de alta temperatura:

1. Cuanto mayor sea la temperatura del agua refrigerante, mayor será el caudal requerido debido a su menor efecto refrigerante.
2. A menos que haya disponible un suministro de agua a la temperatura requerida, pueden tener que incorporarse mecanismos de calentamiento adicionales. Debido a los beneficios de usar agua caliente, es lógico aislar las tuberías de suministro de agua caliente para minimizar la pérdida de calor, y proteger al personal.

• Calidad - La calidad del agua inyectada es importante. El contenido de Sólidos Disueltos Totales (TDS) del agua de inyección debe ser lo más bajo posible, ya que cualquier sólido que salga de solución se depositará en:

1. Las caras de las válvulas.
2. Los pequeños orificios de las boquillas del desuperheater.
3. El lado interior de las tuberías aguas abajo del desuperheater. Además de reducir los niveles de TDS, todo el agua refrigerante debe pasar a través de un desaireador adecuado y un filtro instalados antes de la válvula de control de agua. El desaireador desoxigenará el agua, reduciendo así el potencial de corrosión por oxígeno en el sistema.

• Presión y caudal - Como se mencionó en el Módulo 15.2, la presión del agua refrigerante, junto con el área de las boquillas, determina el flujo de agua refrigerante hacia el desuperheater. La Tabla 15.3.1 muestra las presiones mínimas típicas (por encima de la presión del vapor sobrecalentado) requeridas para cada tipo de desuperheater. Debe notarse que estas pueden variar entre fabricantes y para diferentes presiones de vapor. Si se usa una bomba de refuerzo, se requerirá una ‘línea de retorno’ para asegurar que siempre haya suficiente flujo a través de la bomba en tiempos de baja demanda de agua refrigerante.
• Control- Inevitablemente se requerirá una caída de presión sobre la válvula de control de agua. Al usar agua refrigerante cercana a la temperatura de saturación, se debe tener cuidado de asegurar que la caída de presión no sea lo suficientemente grande como para causar que el agua se destelle en vapor. Puede seleccionarse un obturador con característica de porcentaje igual en la válvula de control de agua, que generalmente complementará la característica de la bomba.
• Fuente- La disponibilidad de agua a alta presión y temperatura puede ser difícil. Hay varias fuentes posibles de agua refrigerante; y las opciones incluyen:

1. Agua del lado de presión de la bomba de alimentación de la caldera (si la caldera usa control modulante de nivel).
2. Agua desmineralizada.
3. Condensado.
4. Agua de la ciudad. Esto sin embargo puede requerir tratamiento para mejorar la calidad, de lo contrario se depositarán sales en el interior de las tuberías aguas abajo del desuperheater.

Instalación del desuperheater

La longitud total instalada de una estación de desuperheater variará con el tamaño y tipo, pero típicamente es de unos 7.5 m. La mayoría de los desuperheaters pueden instalarse en cualquier dirección (el tipo de orificio variable es una excepción notable), pero si se instalan verticalmente, el flujo debe ser hacia arriba. El tipo Venturi se instala mejor en una tubería vertical con el flujo en dirección ascendente, ya que esto ayuda a la mezcla del agua y el vapor. Sin embargo, tales instalaciones generalmente no son posibles debido al espacio vertical requerido.

Control de presión del vapor sobrecalentado

Aunque es posible diseñar instalaciones de desuperheater para operar con presiones aguas arriba variables, es mucho más simple si se mantiene una presión de suministro constante. La cantidad de agua refrigerante agregada se controla por la temperatura del vapor después del desuperheater. Cuanto mayor sea la temperatura, más se abrirá la válvula de control, y mayor será la cantidad de agua agregada. El objetivo es reducir la temperatura del vapor a un margen pequeño de la temperatura de descarga de diseño. Si la presión de suministro de vapor sobrecalentado aumenta, la temperatura de saturación también aumentará.

Sin embargo, el valor ajustado en el controlador de refrigerante no cambiará, y se agregará una cantidad excesiva de agua, resultando en vapor húmedo. Los sensores de presión usados en el control de la presión del vapor sobrecalentado idealmente deben ubicarse en el punto de uso, de modo que la válvula de control de presión pueda compensar cualquier pérdida de línea entre el desuperheater y el punto de uso.

Posicionamiento del sensor de temperatura

La distancia mínima desde el punto de inyección de agua hasta el punto de detección de temperatura es crítica:

• Si el sensor está demasiado cerca del punto de inyección de agua, la mezcla del vapor y el agua no se habrá completado, y el sensor de temperatura dará una salida falsa.
• Si el sensor está demasiado lejos, hará la instalación innecesariamente larga. La distancia mínima de instalación variará entre diferentes tipos de desuperheater y con diferentes fabricantes. Generalmente se especifica como una función de la diferencia de temperatura entre la temperatura de salida requerida y la temperatura de entrada o la temperatura del refrigerante.

La Figura 15.4.2 muestra una tabla típica de posicionamiento del sensor del fabricante.

Estación de separador

El drenaje eficiente de las tuberías después del desuperheater es esencial. Para asegurar que el agua no pueda acumularse en ningún punto, la tubería debe disponerse para caer aproximadamente 20 mm por metro en la dirección del flujo, y debe proveerse con una estación de separador. La trampa de vapor usada para drenar el separador debe seleccionarse cuidadosamente para prevenir el bloqueo de aire, y la tubería de descarga de la trampa de vapor debe tener capacidad amplia para manejar el drenaje y debe fijarse lo más cercana posible a la vertical. Además, debe haber suficiente espacio en la tubería de drenaje para que el agua fluya hacia abajo y el aire pase hacia arriba. La trampa de vapor también debe poder soportar condiciones de sobrecalentamiento. En aplicaciones críticas, por ejemplo, antes de una turbina, un separador es aún más importante; la estación de separador removerá agua arrastrada en caso de fallo de control, y evitará que se agregue demasiada agua al vapor. Válvulas de aislamiento Para permitir que el mantenimiento se realice de forma segura, se recomiendan válvulas de aislamiento aguas arriba de:

• La válvula de control de presión del vapor sobrecalentado.
• El desuperheater.
• El suministro de agua refrigerante. Típicamente, estas deben instalarse aproximadamente, pero no menos de 10 diámetros de tubería del elemento que aíslan.

Válvula de seguridad

Puede requerirse una válvula de seguridad para proteger el equipo aguas abajo de la estación de desuperheating de sobrepresión, en caso de fallo de la estación de control de presión. Es necesario asegurar que la tubería de descarga de la válvula de seguridad se dirija a un área segura. Esto es de particular importancia ya que puede descargarse vapor sobrecalentado de alta temperatura.

Clasificaciones de temperatura y presión

La mayoría del equipo usado en sistemas de vapor está diseñado con vapor saturado en mente. Por lo tanto es importante que todo el equipo usado en una estación de desuperheater tolere tanto la temperatura como la presión máximas del vapor sobrecalentado. La mayoría del equipo tendrá limitaciones de presión y temperatura especificadas basadas en la clasificación nominal de presión (PN) del material y el diseño específico del dispositivo. Por definición, la clasificación PN es la presión máxima que un material puede soportar a 120°C. Por ejemplo, una clasificación PN16 significa que el material soportará una presión de 16 bar g a 120°C. A temperaturas más altas, la presión máxima disminuirá, sin embargo, la relación exacta varía y depende del material. La Figura 15.4.3 representa gradientes típicos presión/temperatura para productos clasificados PN16, PN25 y PN40 en un material no específico. Es importante notar que diferentes materiales producirán, por especificación, variaciones en el gradiente de temperatura. Además, componentes como juntas, sujetadores y componentes internos pueden tener un efecto limitante adicional en la temperatura y presión máximas.

Controles

La selección e instalación de los dispositivos de control a usarse en una estación de desuperheater es una consideración importante, ya que pueden afectar el turndown general del desuperheater. Si los controles instalados tienen una relación de turndown menor que el desuperheater mismo, el turndown de la estación de desuperheater se reducirá (consultar Módulo 15.2). Más información sobre la teoría y práctica básica de control puede encontrarse en los Bloques 5 a 8 inclusive.

Selección

Al seleccionar un tipo adecuado de desuperheater para una aplicación particular, se deben considerar los siguientes factores:

• Turndown- Esta es probablemente una de las consideraciones más importantes, ya que los diferentes tipos de desuperheater varían significativamente en el rango de caudales de vapor sobrecalentado que pueden desuperheatarse efectivamente. Es importante notar aquí que, aunque asegurar que el dispositivo tendrá suficiente turndown para el flujo probable de encontrar, es importante no especificar más capacidad de turndown de la realmente necesaria. Esto afecta predominantemente el costo, pero también puede llevar a un rendimiento deficiente del sistema. El rendimiento deficiente a menudo se agrava por el hecho de que la mayoría de los desuperheaters tienden a funcionar mejor en el extremo superior de los caudales especificados y un diseñador de sistema tendería a permitir aumentos de capacidad debido a la expansión. Como un ejemplo extremo, si el flujo máximo especificado fuera diez veces el requisito actual (para tener en cuenta el crecimiento futuro), el desuperheater operará entre 1 y 10% de su caudal total en lugar del 10% al 100% para el que está diseñado.
• Temperatura del vapor desuperheater - Como se vio en el Módulo anterior, diferentes tipos de desuperheater son capaces de reducir la temperatura del vapor a varios grados de la temperatura de saturación. Por ejemplo, si se requirieran temperaturas de vapor desuperheater dentro de 5°C de la temperatura de saturación (TS), se seleccionaría un desuperheater tipo Venturi o de orificio variable (ver Tabla 15.3.1). Generalmente, donde se puede tolerar algún grado de sobrecalentamiento residual, la temperatura del vapor desuperheater debe ser lo más alta posible por encima de la saturación. Esto es beneficioso por varias razones:

1. Costo - una aproximación cercana a la temperatura de saturación generalmente solo es alcanzable con los tipos más costosos de desuperheaters.
2. Sensibilidad del controlador - esto puede ser un problema donde se requiere que la temperatura del vapor desuperheater esté cerca de la temperatura de saturación. La sensibilidad limitada del controlador es una de las razones por las que la mayoría de los desuperheaters están limitados en su aproximación a la temperatura de saturación. Por ejemplo, si un controlador tuviera una sensibilidad de ±5°C, no podría distinguir entre la temperatura de saturación y 5°C por encima. Si tal controlador interpretara la temperatura del vapor a 5°C por encima de TS, y el vapor estuviera realmente en TS, aumentaría el flujo de agua refrigerante. Pero como la temperatura del vapor saturado no disminuirá (debido al calor latente de evaporación), el controlador agregará cada vez más refrigerante ya que todavía creería que el sistema está a 5°C por encima de TS. Esto resultará en vapor muy húmedo inundando la línea principal de vapor después de la estación de desuperheater.
3. Se vuelve cada vez más difícil evaporar el agua refrigerante a medida que la temperatura del vapor sobrecalentado cae hacia la saturación, debido a la diferencia de temperatura reducida entre los dos.
4. La diferencia de temperatura menor también reduce la velocidad de transferencia de calor entre el agua y el vapor, y por lo tanto las gotas de agua tienen que permanecer en suspensión por más tiempo para evaporarse. Esto aumenta la probabilidad de que las partículas de agua caigan fuera de suspensión en la tubería. Para prevenir que esto ocurra, a medida que la temperatura se acerca a TS, la velocidad del vapor necesita aumentarse para crear más turbulencia.

• Presión de suministro de refrigerante disponible- La elección del tipo de desuperheater también dependerá de la disponibilidad de agua refrigerante a la presión necesaria. Proporcionaría una ventaja de costo usar agua refrigerante que ya está disponible, por ejemplo, del lado de presión de una bomba de alimentación de caldera. Si la presión disponible no fuera suficiente para un tipo particular de desuperheater, tendrían que hacerse arreglos de bombeo adicionales. Una tabla típica de selección del fabricante se muestra en la Figura 15.4.4. Está basada en las características típicas de rendimiento e instalación, que pueden encontrarse en la Tabla 15.3.1. El método usado para dimensionar un desuperheater variará dependiendo del fabricante particular y del tipo de desuperheater, y por lo tanto está fuera del alcance de esta publicación.

Aplicaciones típicas

Los desuperheaters se aplican principalmente en dos áreas:

1. Generación de energía - Los desuperheaters se usan principalmente para reducir la temperatura del vapor emitido desde los sistemas de derivación de turbinas a un nivel eficiente para operación en otras partes de la planta que requieren vapor saturado para propósitos de transferencia de calor.
2. Industria de procesos - En industrias de procesos, los desuperheaters se usan como parte de un sistema para reducir la temperatura y presión del vapor de las calderas a niveles económicos de operación. La Tabla 15.4.1 muestra algunos ejemplos de aplicaciones comunes en industrias particulares.