Introducción a la distribución de vapor

Un sistema eficiente de distribución de vapor es esencial si se va a suministrar vapor de la calidad y presión adecuadas, en la cantidad correcta, al equipo que utiliza vapor. Este tutorial examina un circuito típico.

Introducción a la distribución de vapor

El sistema de distribución de vapor es el vínculo esencial entre el generador de vapor y el usuario de vapor. Este módulo examinará los métodos para transportar vapor desde una fuente central hasta el punto de uso. La fuente central puede ser una sala de calderas o la descarga de una planta de cogeneración. Las calderas pueden quemar combustible primario, o ser calderas de calor residual que utilizan gases de escape de procesos de alta temperatura, motores o incluso incineradoras. Cualquiera que sea la fuente, un sistema eficiente de distribución de vapor es esencial si se va a suministrar vapor de la calidad y presión adecuadas, en la cantidad correcta, al equipo que utiliza vapor. La instalación y el mantenimiento del sistema de vapor son cuestiones importantes y deben considerarse en la fase de diseño.

Conceptos básicos del sistema de vapor

Desde el principio, se requiere una comprensión del circuito básico de vapor, o ‘ciclo de vapor y condensado’ - ver Figura 10.1.1. A medida que el vapor se condensa en un proceso, se induce un flujo en la tubería de suministro. El condensado tiene un volumen muy pequeño en comparación con el vapor, y esto provoca una caída de presión, que hace que el vapor fluya a través de las tuberías.

El vapor generado en la caldera debe ser transportado a través de tuberías hasta el punto donde se requiere su energía térmica. Inicialmente habrá una o más tuberías principales, o ‘conductos principales de vapor’, que transportan el vapor desde la caldera en la dirección general de la planta que utiliza vapor. Tuberías de ramal más pequeñas pueden entonces llevar el vapor a los equipos individuales.

Cuando se abre la válvula de aislamiento principal de la caldera (comúnmente llamada válvula ‘corona’), el vapor pasa inmediatamente de la caldera a lo largo de los conductos principales de vapor hacia los puntos de menor presión.

Las tuberías están inicialmente más frías que el vapor, por lo que el calor se transfiere del vapor a la tubería.

El aire que rodea las tuberías también está más frío que el vapor, por lo que las tuberías comenzarán a transferir calor al aire.

El vapor en contacto con las tuberías más frías comenzará a condensarse inmediatamente. Al arrancar el sistema, la tasa de condensación estará en su máximo, ya que este es el momento en que hay una diferencia de temperatura máxima entre el vapor y las tuberías. Esta tasa de condensación se denomina comúnmente ‘carga de arranque’. Una vez que las tuberías se han calentado, la diferencia de temperatura entre el vapor y las tuberías es mínima, pero ocurrirá algo de condensación ya que las tuberías continúan transfiriendo calor al aire circundante. Esta tasa de condensación se denomina comúnmente ‘carga en marcha’.

La condensación resultante (condensado) cae al fondo de la tubería y es arrastrada por el flujo de vapor y asistida por la gravedad, debido a la pendiente en el conducto principal de vapor que debe disponerse para caer en la dirección del flujo de vapor. El condensado deberá entonces drenarse desde varios puntos estratégicos en el conducto principal de vapor.

Cuando se abre la válvula en la tubería de vapor que alimenta un equipo que utiliza vapor, el vapor que fluye desde el sistema de distribución entra en el equipo y nuevamente entra en contacto con superficies más frías. El vapor entonces transfiere su energía al calentar el equipo y el producto (carga de arranque), y, cuando alcanza la temperatura, continúa transfiriendo calor al proceso (carga en marcha).

Ahora hay un suministro continuo de vapor desde la caldera para satisfacer la carga conectada y, para mantener este suministro, se debe generar más vapor. Para hacer esto, se suministra más agua (y combustible para calentar esta agua) a la caldera para compensar el agua que previamente se ha evaporado en vapor.

El condensado formado tanto en las tuberías de distribución de vapor como en los equipos de proceso es un suministro conveniente de agua de alimentación de caldera utilizable. Aunque es importante eliminar este condensado del espacio de vapor, es una mercancía valiosa y no debe dejarse que se desperdicie. Devolver todo el condensado al depósito de alimentación de la caldera cierra el ciclo básico de vapor, y debe practicarse siempre que sea posible. La devolución del condensado a la caldera se analiza más en el Bloque 13, ‘Eliminación de condensado’, y el Bloque 14, ‘Gestión de condensado’.

The Working Pressure

The distribution pressure of steam is influenced by a number of factors, but is limited by:

• The maximum safe working pressure of the boiler.
• The minimum pressure required at the plant. As steam passes through the distribution pipework, it will inevitably lose pressure due to:
• Frictional resistance within the pipework (detailed in Module 10.2).
• Condensation within the pipework as heat is transferred to the environment. Therefore allowance should be made for this pressure loss when deciding upon the initial distribution pressure. A kilogram of steam at a higher pressure occupies less volume than at a lower pressure. It follows that, if steam is generated in the boiler at a high pressure and also distributed at a high pressure, the size of the distribution mains will be smaller than that for a low-pressure system for the same heat load. Figure 10.1.2 illustrates this point.

Generating and distributing steam at higher pressure offers three important advantages:

• The thermal storage capacity of the boiler is increased, helping it to cope more efficiently with fluctuating loads, minimising the risk of producing wet and dirty steam.
• Smaller bore steam mains are required, resulting in lower capital cost, for materials such as pipes, flanges, supports, insulation and labour.
• Smaller bore steam mains cost less to insulate Having distributed at a high pressure, it will be necessary to reduce the steam pressure to each zone or point of use in the system in order to correspond with the maximum pressure required by the application. Local pressure reduction to suit individual plant will also result in drier steam at the point of use. (Module 2.3 provides an explanation of this). Note: It is sometimes thought that running a steam boiler at a lower pressure than its rated pressure will save fuel. This logic is based on more fuel being needed to raise steam to a higher pressure. Whilst there is an element of truth in this logic, it should be remembered that it is the connected load, and not the boiler output, which determines the rate at which energy is used. The same amount of energy is used by the load whether the boiler raises steam at 4 bar g, 10 bar g or 100 bar g. Standing losses, flue losses, and running losses are increased by operating at higher pressures, but these losses are reduced by insulation and proper condensate return systems. These losses are marginal when compared to the benefits of distributing steam at high pressure.

Pressure Reduction

The common method for reducing pressure at the point where steam is to be used is to use a pressure reducing valve, similar to the one shown in the pressure reducing station Figure 10.1.3.

A separator is installed upstream of the reducing valve to remove entrained water from incoming wet steam, thereby ensuring high quality steam to pass through the reducing valve. This is discussed in more detail in Module 9.3 and Module 12.5.

Plant downstream of the pressure reducing valve is protected by a safety valve. If the pressure reducing valve fails, the downstream pressure may rise above the maximum allowable working pressure of the steam using equipment. This, in turn, may permanently damage the equipment, and, more importantly, constitute a danger to personnel. With a safety valve fitted, any excess pressure is vented through the valve, and will prevent this from happening (safety valves are discussed in Block 9). Other components included in the pressure reducing valve station are:

• The primary isolating valve - To shut the system down for maintenance.
• The primary pressure gauge - To monitor the integrity of supply.
• The strainer - To keep the system clean.
• The secondary pressure gauge - To set and monitor the downstream pressure.
• The secondary isolating valve - To assist in setting the downstream pressure on no-load conditions.