Colectores de Vapor y Tomas

Este tutorial examina las disposiciones de colectores de vapor y otras consideraciones de diseño necesarias para un calentamiento eficiente, buena calidad del vapor y adecuada distribución de vapor desde la sala de calderas.

Colectores de Vapor y Tomas

Las calderas de carcasa se fabrican para capacidades de hasta alrededor de 27 000 kg/h de vapor. Cuando se requieren cargas superiores a esto, dos o más calderas se conectan en paralelo, con una instalación de cuatro o más calderas no siendo infrecuente. El diseño del colector de vapor interconectante es de gran importancia. La Figura 3.8.1 muestra un método común de conectar cuatro calderas: un método que frecuentemente es fuente de problemas. Refiriéndose a la Figura 3.8.1, con todas las calderas operando a la misma presión, la presión en el punto A tiene que ser menor que la del punto B para que el vapor fluya del punto B a la planta. En consecuencia, debe haber una mayor caída de presión entre la caldera número 4 y el punto A que entre la caldera número 3 y el punto B, mientras que la diferencia entre estas dos caídas de presión ocurre entre A y B.

El flujo depende de la caída de presión, se deduce entonces que la caldera número 4 descargará más vapor en el colector común que la caldera número 3. Igualmente, la caldera número 3 descargará más que la número 2, y así sucesivamente. El efecto neto es que si la caldera número 1 está completamente cargada, las otras calderas están progresivamente sobrecargadas, empeorando el efecto cuanto más cerca de la toma final.

Se puede demostrar que, típicamente, si la caldera número 1 está completamente cargada, la número 2 estará alrededor del 1% sobrecargada, la número 3 alrededor del 6%, y la número 4 alrededor del 15% sobrecargada. Mientras que las calderas de carcasa son capaces de lidiar con condiciones de sobrecarga ocasionales del 5%, una sobrecarga del 15% es indeseable.

La velocidad de salida de vapor aumentada de la caldera crea una superficie de agua extremadamente volátil, y el sistema de control de nivel podría fallar en controlar.

A altas cargas, en este ejemplo, la caldera número 4 se bloquearía, lanzando un sistema ya inestable a las tres calderas restantes, que pronto también se bloquearían.

La observación principal es que este diseño de colector de distribución no permite a las calderas compartir la carga equitativamente.

El objetivo debe ser que las caídas de presión entre cada salida de caldera y la toma del colector a la planta estén dentro de 0,1 bar. Esto minimizará el arrastre y ayudará a prevenir la sobrecarga y bloqueo de las calderas.

La disposición mostrada en la Figura 3.8.2 muestra un diseño mejorado de un nuevo colector. El colector está dispuesto para descargar desde el centro, en lugar de en un extremo. De esta manera, ninguna caldera será sobrecargada por el colector en más del 1%, siempre que las tuberías del colector estén debidamente dimensionadas.

Una mejor disposición se muestra en la Figura 3.8.3 para una instalación de cuatro o más calderas, más bien como un árbol genealógico, donde la carga en cada caldera se distribuye equitativamente. Esta disposición se recomienda para calderas fuertemente cargadas, con control de secuenciación donde una o más están regularmente fuera de línea.

Se enfatiza que el correcto diseño del colector ahorrará muchos problemas y gastos posteriores. El diseño correcto del colector de caldera en aplicaciones de múltiples calderas siempre resultará en una operación bien equilibrada.

Tomas de vapor

Habiendo considerado la disposición general del colector de vapor, se deben asegurar las siguientes condiciones:

• Que se exporte vapor seco a la planta.
• Que la operación de calentamiento esté debidamente controlada.
• Que el vapor se distribuya adecuadamente a la planta.
• Que una caldera no pueda presurizar accidentalmente a otra.

Arrastre de agua

Cuando una caldera bien diseñada genera vapor bajo condiciones de carga constante, la fracción de sequedad del vapor será alta, aproximadamente del 96 al 99%. Los cambios en la carga que ocurren más rápido de lo que la caldera puede responder afectarán adversamente la fracción de sequedad. El control deficiente del TDS del agua de caldera, o la contaminación del agua de alimentación de la caldera, resultará en la descarga de vapor húmedo desde la caldera. Una serie de problemas están asociados con esto:

• Las gotas de agua en las tuberías de vapor tenderán a erosionar el interior de la tubería, y cualquier otro accesorio y válvulas, especialmente si las velocidades son altas.
• El agua en un sistema de vapor da el potencial para un peligroso golpe de ariete.
• El agua en el vapor no contiene la entalpía de evaporación que la planta ha sido diseñada para usar, por lo que transportarla a la planta es ineficiente.
• El agua arrastrada con el vapor desde una caldera inevitablemente contendrá sólidos disueltos y suspendidos, que pueden contaminar los controles, superficies de transferencia de calor, trampas de vapor y el producto. Por estas razones, se recomienda un separador cerca de la caldera. Los separadores funcionan forzando al vapor a cambiar rápidamente de dirección. Esto resulta en que las partículas de agua mucho más densas se separen del vapor debido a su inercia, y luego se les anime a gravitar hacia el fondo del cuerpo del separador, donde se acumulan y drenan a través de una trampa de vapor.

Calentamiento

Es esencial que cuando una caldera se pone en línea, se haga de una manera lenta, segura y controlada para evitar:

• Golpe de ariete - Donde grandes cantidades de condensado yacen dentro de la tubería y luego son empujados a lo largo de la tubería a velocidades de vapor. Esto puede resultar en daño cuando el agua impacta con una obstrucción en la tubería, por ejemplo una válvula de control.
• Choque térmico - Donde las tuberías se calientan tan rápidamente que la expansión es incontrolada, estableciendo esfuerzos en las tuberías y causando grandes movimientos en los soportes de tubería.
• Cebado - Donde una repentina reducción de la presión del vapor causada por una carga grande y súbitamente aplicada puede resultar en que el agua de la caldera sea succionada a las tuberías. Esto no solo es malo para la operación de la planta, la caldera puede ir a ‘bloqueo’ y tomará algún tiempo devolver la caldera al estado operativo. El agua descargada también puede causar golpe de ariete en las tuberías. El período de calentamiento para cada planta será diferente y dependerá de muchos factores. Una caldera pequeña de baja presión en una planta compacta como una lavandería, por ejemplo, podría alcanzar la presión de operación en menos de 15 minutos. Un gran complejo industrial puede tomar muchas horas. El punto de partida, al poner de manera segura una pequeña caldera en línea, es la válvula de cierre principal, que debe abrirse lentamente.

En plantas más grandes, sin embargo, la tasa de calentamiento es difícil de controlar usando la válvula de cierre principal. Esto se debe a que la válvula de cierre principal está diseñada para proporcionar buen aislamiento; tiene un asiento plano que significa que toda la fuerza ejercida al girar el volante actúa directamente sobre el asiento, asegurando así un buen sellado cuando está bajo presión. También significa que la válvula no está caracterizada y pasará aproximadamente el 80% de su capacidad en el primer 10% de su movimiento.

Por esta razón es buena práctica instalar una válvula de control después de la válvula de cierre principal. Una válvula de control tiene un obturador perfilado, que significa que la relación entre un aumento en el flujo y el movimiento del obturador es mucho menos severa. En consecuencia el caudal, y por tanto la tasa de calentamiento, se controla mejor.

Un ejemplo de una válvula de control instalada después de la válvula de cierre principal de la caldera se muestra en la Figura 3.8.4.

Una disposición típica de calentamiento puede ser que la válvula de control esté cerrada hasta que se necesite la caldera.

En este punto un temporizador de pulso abre lentamente la válvula de control sobre un período de tiempo predeterminado. Esta disposición también tiene la ventaja de que no requiere mano de obra (a menos que la caldera se caliente desde frío) durante el período de calentamiento de la caldera, que puede ser durante horas crepusculares. El tema de poner calderas en línea está cubierto por las guías del HSE en el Reino Unido. En sistemas de distribución grandes, una válvula de control de tamaño de línea todavía es a menudo demasiado gruesa para proporcionar el calentamiento lento requerido. En estas circunstancias se podría usar una pequeña válvula de control en un bucle alrededor de una válvula de aislamiento. Esto también tiene la ventaja de que donde se usan válvulas de corredera paralelas para aislamiento, la presión puede igualarse a cada lado de la válvula antes de abrirla. Esto las hará más fáciles de abrir, y reduce el desgaste. Prevención de que una caldera presurice a otra De BS 2790, Sección 8.8.3. Donde dos o más calderas están conectadas a un colector común, además de la válvula de cierre principal de la caldera, se incorporará una segunda válvula en la conexión de vapor, y esta válvula deberá poder cerrarse con llave. Esto permite una mejor protección para una caldera fuera de servicio cuando está aislada del colector de distribución. A menos que se instale una válvula de retención separada en la conexión de vapor, una de las dos válvulas de cierre debe incorporar una facilidad de retención. El objetivo de esta sección de la Norma Británica es proporcionar condiciones de trabajo seguras cuando la caldera está apagada para reparación o inspección. Las simples válvulas de retención de tipo aleta no son adecuadas para este propósito, porque pequeños cambios en las presiones de las calderas pueden causar que oscilen, poniendo carga excesiva en una u otra caldera alternadamente. Esto puede, bajo condiciones severas, causar sobrecarga cíclica de las calderas. Muchos casos de inestabilidad con instalaciones de dos calderas son causados de esta manera. Las válvulas de cierre principales con válvulas de retención integrales tienden a sufrir menos de este fenómeno. Alternativamente, las válvulas de retención de disco con resorte pueden proporcionar un efecto de amortiguación que tiende a reducir los problemas causados por la oscilación (Figura 3.8.5). BS 2790 establece que se debe instalar una válvula de retención en esta línea junto con la válvula de cierre principal, alternativamente, la válvula de cierre principal debe incorporar una válvula de retención integral.

Normas relacionadas con calderas (Reino Unido)

Instrumento estatutario 1989 No. 2169 (Las regulaciones de sistemas a presión y contenedores de gas transportable 1989) con la guía asociada y código de práctica aprobado. Asegurar la distribución adecuada de vapor El punto de partida para el sistema de distribución es la sala de calderas, donde es frecuentemente conveniente que las líneas de vapor de las calderas converjan en un colector de vapor generalmente referido como el colector principal de distribución. El tamaño del colector dependerá del número y tamaño de las calderas y del diseño del sistema de distribución. En una planta grande, el enfoque más práctico es distribuir vapor a través de un colector principal de alta presión alrededor del sitio. La distribución de alta presión es generalmente preferida ya que reduce los tamaños de tubería relativos a las capacidades y velocidades. Las pérdidas de calor también pueden reducirse debido a menores diámetros de tubería en general. Esto permite tomar suministros de vapor del colector, ya sea directamente a usuarios de alta presión, o a estaciones reductoras de presión que proporcionan vapor a usuarios locales a presión reducida. Un colector de vapor en la sala de calderas proporciona un útil punto de partida centralizado. Proporciona una función separadora adicional si el separador de la caldera es sobrepasado, y un medio de permitir a las calderas conectadas compartir la carga del sistema de distribución. Presión de operación El colector debe diseñarse para la presión de operación de la caldera y conformarse a las Regulaciones de Sistemas a Presión. Es importante recordar que las normas de brida se basan en temperatura y presión y que la presión permisible se reduce a medida que la temperatura de operación aumenta.

Por ejemplo, una clasificación PN16 es 16 bar a 120°C, pero es solo adecuada para hasta 13,8 bar de vapor saturado (198°C).

Diámetro El diámetro del colector debe calcularse con una velocidad máxima de vapor de 15 m/s bajo condiciones de carga completa. La baja velocidad es importante ya que ayuda a que cualquier humedad arrastrada caiga.

Tomas Estas deben ser siempre desde la parte superior del colector de distribución.

La gravedad y la baja velocidad asegurarán que cualquier condensado caiga y drene desde el fondo del colector. Esto asegura que solo se exporte vapor seco.

Trampas de vapor Es importante que el condensado se elimine del colector tan pronto como se forme. Por esta razón una trampa mecánica, por ejemplo una trampa de flotador, es la mejor elección. Si el colector es el primer punto de trampeo después de las tomas de la caldera, el condensado puede contener partículas de arrastre y puede ser útil drenar esta trampa de vapor al vaso de purga de la caldera, en lugar del depósito de alimentación de la caldera.

Lectura relacionada:

1. El Circuito de Vapor y Condensado, Bloque 11, ‘Trampas de Vapor’

2. El Circuito de Vapor y Condensado, Bloque 10, ‘Distribución de Vapor’