El Depósito de Alimentación y el Acondicionamiento del Agua de Alimentación

Todos los aspectos del diseño, construcción y operación de depósitos de alimentación y semi-desaireadores, incluyendo cálculos.

La importancia del depósito de alimentación de la caldera, donde se almacena el agua de alimentación de la caldera y el agua de reposición, y al cual se retorna el condensado, es frecuentemente subestimada. La mayoría de los elementos de la planta en la sala de calderas están duplicados, pero es raro tener dos depósitos de alimentación y este elemento crucial frecuentemente es el último en considerarse en el proceso de diseño. El depósito de alimentación es el principal lugar de encuentro del agua fría de reposición y el retorno de condensado. Es mejor si ambos, junto con el vapor destellado del sistema de purga, fluyen a través de tubos de distribución instalados bien por debajo de la superficie del agua en el tanque de agua de alimentación. Los tubos de distribución deben ser de acero inoxidable y estar adecuadamente soportados.

Temperatura de operación

Es importante que el agua en el depósito de alimentación se mantenga a una temperatura lo suficientemente alta para minimizar el contenido de oxígeno disuelto y otros gases. La correlación entre la temperatura del agua y su contenido de oxígeno en un depósito de alimentación puede verse en la Figura 3.11.1. Si se usa una alta proporción de agua de reposición, calentar el agua de alimentación puede reducir sustancialmente la cantidad de químicos limpiadores de oxígeno requeridos. Ejemplo 3.11.1 Ahorros de costos asociados con la reducción del oxígeno disuelto en el agua de alimentación por calentamiento. Base para cálculo:

• La tasa de dosificación estándar para sulfito de sodio es 8 ppm por cada 1 ppm de oxígeno disuelto.
• Es usual añadir 4 ppm adicionales para mantener una reserva en la caldera.
• El sulfito de sodio catalizado líquido típico contiene solo 45% de sulfito de sodio. Para el ejemplo Cálculo 1 Cálculo 2 Ahorro de costo anual Obviamente hay un costo involucrado en calentar el depósito de alimentación, pero dado que la temperatura del agua se aumentaría en la misma cantidad dentro de la caldera, esta no es energía adicional, solo la misma energía usada en un lugar diferente. La única pérdida real es el calor extra perdido del propio depósito de alimentación. Siempre que el depósito de alimentación esté debidamente aislado, esta pérdida extra de calor será casi insignificante. Un ahorro adicional importante es reducir la cantidad de sulfito de sodio añadido al agua de alimentación de la caldera. Esto reducirá la cantidad de purga inferior necesaria, y este ahorro compensará más que la pequeña pérdida de calor adicional del depósito de alimentación de la caldera. Para evitar daños a la propia caldera La caldera sufre choque térmico cuando se introduce agua fría en las superficies calientes de la pared de la caldera y sus tubos. El agua de alimentación más caliente significa una menor diferencia de temperatura y menos riesgo de choque térmico. Para mantener la producción diseñada Cuanto menor sea la temperatura del agua de alimentación de la caldera, más calor se requiere en la caldera para producir vapor. Es importante mantener la temperatura del depósito de alimentación lo más alta posible, para mantener la producción requerida de la caldera.

Cavitación de la bomba de alimentación de la caldera

Precaución: tasas de retorno de condensado muy altas (típicamente sobre 80%) pueden resultar en una temperatura excesiva del agua de alimentación, y cavitación en la bomba de alimentación. Si el agua cerca del punto de ebullición entra en una bomba, es propensa a destellar a vapor en el área de baja presión en el ojo del impulsor de la bomba. Si esto sucede, se forman burbujas de vapor a medida que la presión cae por debajo del vapor de agua. Cuando la presión sube nuevamente, estas burbujas colapsarán y el agua fluye hacia la cavidad resultante a una velocidad muy alta. Esto se conoce como ‘cavitación’; es ruidosa y puede dañar seriamente la bomba. Para evitar este problema, es esencial proporcionar el mejor Positivo Neto de Cabeza de Succión (NPSH) posible a la bomba para que la presión estática sea lo más alta posible. Esto se ayuda enormemente ubicando el depósito de alimentación lo más alto posible sobre la caldera, y dimensionando generosamente la tubería de succión a la bomba de alimentación (Figura 3.11.2).

Diseño del depósito de alimentación

El depósito de alimentación (Figura 3.11.3) puede influir en la forma en que opera toda la sala de calderas de varias maneras. Por el diseño cuidadoso del depósito de alimentación y sistemas asociados, se pueden hacer ahorros sustanciales en energía y químicos de tratamiento de agua junto con mayor confiabilidad de operación. Mientras que los depósitos de alimentación cilíndricos, tanto verticales como horizontales, no son infrecuentes en otras partes del mundo, la forma rectangular se usa más regularmente en el Reino Unido. Esto normalmente ofrece el máximo volumen de almacenamiento de agua para el área de piso que ocupa. Materiales del depósito de alimentación:

• Hierro fundido - Los tanques de hierro fundido generalmente se ensamblan de secciones rectangulares: A menudo surgen problemas de fugas en las juntas de sección, y son propensos a la corrosión.
• Acero al carbono - Probablemente el material de construcción más común para depósitos de alimentación: Sin recubrimiento, es un material relativamente de bajo costo pero es extremadamente susceptible a la corrosión. Esta debilidad puede mejorarse aplicando recubrimientos adecuados a la superficie, pero el costo de esto puede ser más que el costo del tanque, especialmente ya que el recubrimiento también necesitará mantenimiento regular.
• Plástico - Este material generalmente no es adecuado para depósitos de alimentación debido al alto costo de materiales capaces de soportar las relativamente altas temperaturas involucradas. Sin embargo, el plástico es un material adecuado para el tanque de agua fría de reposición.
• Acero inoxidable austenítico - La vida extendida de un depósito de alimentación correctamente hecho en este material invariablemente justificará el mayor costo inicial. El tipo 304L generalmente se selecciona como el grado más apropiado de acero inoxidable. Capacidad del depósito de alimentación El depósito de alimentación proporciona una reserva de agua para cubrir la interrupción del suministro de agua de reposición. La práctica tradicional es tener un depósito de alimentación con capacidad suficiente para permitir una hora de vaporización a la evaporación máxima de la caldera. Para plantas más grandes esto puede ser impráctico y una alternativa podría ser tener un depósito de alimentación ‘pozo caliente’ más pequeño con almacenamiento adicional de agua tratada fría. También debe tener suficiente capacidad por encima de su nivel de trabajo normal para acomodar cualquier aumento en la tasa de retorno de condensado. Esta capacidad se denomina ‘ullage’. Una tasa alta de retorno de condensado puede ocurrir al arranque cuando el condensado que yace en la planta y las tuberías se retorna repentinamente al tanque, donde puede perderse al drenaje a través del desbordamiento. Si esto ocurre, puede ser prudente revisar el sistema de retorno de condensado, para controlar la tasa de retorno y evitar el desperdicio.

Construcción del depósito de alimentación

Las siguientes notas pueden ser útiles en el diseño de un depósito de alimentación:

• Refuerzo - El tanque debe estar completamente soldado y es muy importante usar refuerzo adecuado para fortalecer los lados y la parte superior del tanque y proporcionar soporte adecuado para la base. No hacerlo resultará en flexión excesiva y falla prematura.
• Conexiones de tubería - Todas las conexiones de tubería bridadas deben sobresalir al menos 150 mm para facilitar el aislamiento. Todas las conexiones roscadas deben sobresalir al menos 20 mm.
• Orejas de izaje - Es esencial instalar orejas de izaje para permitir una instalación segura y fácil.

Tuberías del depósito de alimentación

Retorno de condensado A medida que se genera vapor, el agua dentro de la caldera se evapora y se repone bombeando agua de alimentación a la caldera. A medida que el vapor pasa alrededor del sistema a los diversos elementos de la planta que usan vapor, cambia de estado de vuelta a condensado, que es, esencialmente, agua caliente de muy buena calidad. A menos que sea probable alguna contaminación (quizás debido al proceso), este condensado es el agua de alimentación ideal para la caldera. Por lo tanto, tiene sentido económico retornar tanto como sea posible para reutilización. En realidad, es casi imposible retornar todo el condensado; algo de vapor puede haberse inyectado directamente en el proceso para aplicaciones como humidificación e inyección de vapor, y generalmente habrá pérdidas de agua de la propia caldera, por ejemplo, a través de la purga. Por lo tanto, deberá introducirse agua de reposición (tratada químicamente) en el sistema para mantener los niveles de trabajo correctos. El retorno de condensado representa un enorme potencial de ahorro de energía en la sala de calderas. El condensado tiene un alto contenido calórico y aproximadamente un 1% menos de combustible se requiere por cada 6°C de aumento de temperatura en el depósito de alimentación. La Figura 3.11.5(a) muestra la formación de vapor a 10 bar g cuando la caldera se suministra con agua de alimentación fría a 10°C. La porción en la parte inferior del diagrama representa la entalpía (42 kJ/kg) disponible en el agua de alimentación. Se debe añadir 740 kJ/kg adicionales de energía calorífica al agua en la caldera antes de alcanzar la temperatura de saturación a 10 bar g. La Figura 3.11.5(b) muestra nuevamente la formación de vapor a 10 bar g, pero esta vez la caldera se alimenta con agua de alimentación calentada a 70°C retornando más condensado. La mayor entalpía contenida en el agua de alimentación significa que la caldera ahora solo tiene que añadir 489 kJ/kg de energía calorífica para llevarla a la temperatura de saturación a 10 bar g. Esto representa un ahorro del 9,2% en la energía necesaria para generar vapor a esta misma presión. El condensado retornado es virtualmente agua pura y esto ahorra no solo en costos de agua sino también en químicos de tratamiento de agua, lo que reduce las pérdidas asociadas con la purga. Si se retorna condensado presurizado, entonces se liberará vapor destellado en el depósito de alimentación. Este vapor destellado necesita condensarse para asegurar que tanto el calor como el contenido de agua se recuperen. El método tradicional de hacer esto ha sido introducirlo en el depósito de alimentación a través de tubos de distribución, pero un método más moderno y efectivo es usar una cabeza de desaireador de condensación de destello donde se mezclan el agua fría de reposición, el retorno de condensado y el vapor destellado (véase la Figura 3.11.6). Vapor destellado de sistemas de recuperación de calor Un sistema de recuperación de calor puede, por ejemplo, recuperar vapor destellado de la purga de la caldera. Es otra oportunidad para usar el calor recuperado para elevar la temperatura del depósito de alimentación y así ahorrar combustible. Al igual que con el condensado presurizado, el vapor destellado necesita condensarse. Tradicionalmente, esto se lograba usando tubos de distribución, pero un método más moderno y mucho más efectivo es la cabeza de desaireador de condensación de destello. Agua de reposición Esta es el agua fría de la planta de tratamiento de agua que repone cualquier pérdida en el sistema. Muchas plantas de tratamiento de agua necesitan un flujo sustancial a través de ellas para lograr un rendimiento óptimo. Un flujo ‘goteo’ como resultado de un control de modulación en el depósito de alimentación puede, por ejemplo, tener un efecto adverso en el rendimiento de un ablandador. Por esta razón a menudo se instala un pequeño tanque de reposición de agua fría de plástico o acero galvanizado. El flujo desde el ablandador se controla ‘encendido/apagado’ en el tanque de reposición. Desde allí una válvula de modulación controla su flujo al depósito de alimentación. Este tipo de instalación conduce a una operación más ‘suave’ de la planta de calderas. Para evitar que el agua de reposición relativamente fría se hunda directamente al fondo del tanque (donde será succionada directamente a la línea de agua de alimentación de la caldera), y para asegurar una distribución uniforme de temperatura, es práctica común distribuir el agua de reposición en el depósito de alimentación a un nivel más alto. Inyección de vapor Como se mencionó anteriormente, hay ventajas significativas en mantener el contenido del depósito de alimentación a una temperatura alta. Una de las formas más convenientes de lograr esta temperatura más alta es inyectando vapor en el depósito de alimentación. Ventilación El depósito de alimentación debe ventilarse para prevenir cualquier acumulación de presión. Como guía, esta ventilación variará en tamaño desde DN80 en un tanque de 2 000 litros hasta DN250 en un tanque de 30 000 litros. La ventilación debe equiparse con una cabeza de ventilación, que incorpora una defensa interna para separar el agua arrastrada del vapor para descarga a través de una conexión de drenaje. Desbordamiento Debe equiparse con un sello de agua en ‘U’ para prevenir la pérdida de vapor destellado. Toma de la bomba de alimentación Si la toma es desde la base del depósito de alimentación debe haber un niple interno de 50 mm para prevenir que cualquier suciedad en el fondo del tanque entre en la tubería. Debe ser generosamente dimensionado para que las pérdidas por fricción se minimicen, y el positivo neto de cabeza de succión (NPSH) a la bomba de alimentación se maximice. Drenaje Debe instalarse una conexión de drenaje en el fondo del depósito de alimentación para facilitar su vaciado para inspección. Aislamiento El depósito de alimentación debe aislarse adecuadamente para prevenir pérdidas de calor. Se debe buscar el consejo de un especialista en aislamiento de buena reputación para seleccionar el material correcto y el espesor económico. Abertura de inspección Debe instalarse una abertura de inspección de tamaño adecuado para permitir la inspección interna y la instalación de accesorios auxiliares, según corresponda. Control de nivel de agua Tradicionalmente, se han usado controles de flotador para esta aplicación. Los controles modernos usan sondas de nivel, que darán una señal de salida para modular una válvula de control. No solo este tipo de sistema requiere menos mantenimiento sino, con el uso de un controlador apropiado, una sola sonda puede incorporar alarmas de nivel y dispositivos de indicación remota. Las sondas de nivel pueden disponerse para señalizar nivel de agua alto, nivel de agua de trabajo normal (o control), y nivel de agua bajo. Las señales de la sonda pueden conectarse a una válvula de control en el suministro de agua fría de reposición. La sonda se equipa con un tubo de protección dentro del depósito de alimentación para protegerla de la turbulencia, que puede resultar en lecturas falsas. Se recomienda un indicador de nivel local o indicador de nivel de agua en el depósito de alimentación, permitiendo la visualización del contenido para fines de confirmación, y para la puesta en marcha de las sondas de nivel. Termómetro Puede ser un dispositivo de lectura local o remota.

Desaireadores

Cabeza de desaireador atmosférico La unidad de mezcla de una cabeza de desaireador reúne todos los flujos entrantes. Mezcla el agua fría de reposición de alto contenido de oxígeno con vapor destellado del condensado y el sistema de recuperación de calor de purga. El oxígeno y otros gases se liberan del agua fría y pueden eliminarse automáticamente a través de una ventilación antes de que el agua entre en el depósito de alimentación principal. La cabeza de desaireador reduce considerablemente la cantidad de vapor que normalmente se esperaría emanar del tanque bajo condiciones de trabajo. Debido a esto, los tanques de desaireador atmosférico correctamente diseñados equipados con cabezas de desaireador requieren menos capacidad de ventilación que un tanque ordinario equipado con una tapa ventilada. Típicamente, los tamaños de ventilación en un tanque de desaireador atmosférico varían desde DN80 en un tanque de 2000 L, hasta DN250 en un tanque de 30 000 L. Desaireador presurizado En plantas de calderas más grandes, a veces se instalan desaireadores presurizados y se usa vapor vivo para llevar el agua de alimentación a aproximadamente 105°C para expulsar el oxígeno. Los desaireadores presurizados son generalmente térmicamente eficientes y reducirán el oxígeno disuelto a niveles muy bajos. Los desaireadores presurizados:

• Deben equiparse con controles y dispositivos de seguridad.
• Están clasificados como recipientes a presión, y requerirán inspección formal periódica. Esto significa que los desaireadores presurizados son caros, y solo se justifican en salas de calderas muy grandes. Si se va a considerar un desaireador a presión, debe investigarse su rendimiento a carga parcial (o modulación efectiva). Una revisión detallada de los desaireadores presurizados se da en el Módulo 21 de este Bloque. Tratamiento de acondicionamiento Este es un tratamiento adicional que complementa el tratamiento externo, (por ejemplo, el sistema de intercambio básico) y generalmente se lleva a cabo añadiendo químicos en cantidades medidas, ya sea al tanque de agua de alimentación o a la tubería de agua de alimentación antes de su entrada a la caldera. El tratamiento químico requerido depende de muchos factores tales como:
• Las impurezas inherentes en el agua de reposición y su dureza.
• El volumen de condensado retornado para reutilización y su calidad en términos de valor de pH, contenido de TDS, y dureza.
• El diseño de la caldera y sus condiciones operativas. Decidir el tipo de régimen químico y sistema de tratamiento de agua es asunto de un especialista calificado en tratamiento de agua que siempre debe ser consultado. El propósito del tratamiento de acondicionamiento es mejorar el tratamiento del agua cruda después de haber sido procesada tanto como sea posible por la planta principal de tratamiento de agua. Asegura calidad porque, inevitablemente, habrá algunas impurezas que encuentren un camino a través del sistema principal de tratamiento. Los objetivos del tratamiento de agua son:
• Prevenir la formación de sarro de bajos niveles restantes de dureza que puedan haber escapado del tratamiento. Normalmente se usa fosfato de sodio para esto, y causa que la dureza precipite al fondo de la caldera donde puede purgarse.
• Lidiar con cualquier otra impureza específica presente. Estas serán sustancias específicas para aplicaciones específicas.
• Mantener el balance químico correcto en el agua de la caldera - para prevenir la corrosión necesita ser algo alcalina y no ácida. Típicamente se usará una solución de sosa cáustica al 1% para lograr un pH objetivo entre 9 y 11. Las Normas Británicas BS 2486 recomiendan pH 10,5 - 12,0 para calderas de carcasa @ 10 bar, pH 9 solo podría usarse en calderas de mayor presión.
• Acondicionar cualquier materia suspendida. Será un floculante o coagulante, que causará que la materia suspendida se aglomere y se hunda al fondo de la caldera desde donde puede purgarse.
• Proporcionar protección antiespumante.
• Eliminar trazas de gases disueltos. Estos son principalmente oxígeno y dióxido de carbono y la presencia de estos gases disueltos en la planta y sistema de calderas causará corrosión. Es, por lo tanto, necesario eliminarlos y/o neutralizarlos si se va a prevenir el daño. Dióxido de carbono El dióxido de carbono disuelto a menudo está presente en el agua de alimentación en forma de ácido carbónico y esto causa que el nivel de pH baje. El control adecuado del pH corregirá esto pero el dióxido de carbono también se libera en las calderas por el calentamiento de carbonatos y bicarbonatos. Estos se descomponen en sosa cáustica con la liberación de dióxido de carbono. Esto puede necesitar ser manejado mediante el uso de un inhibidor de corrosión de condensado, para prevenir el ataque corrosivo al sistema de condensado. Oxígeno El más nocivo de los gases disueltos es el oxígeno, que puede causar picaduras en el metal. Cantidades muy pequeñas de oxígeno pueden causar daño severo. Puede eliminarse tanto mecánica como químicamente. La cantidad de oxígeno disuelto presente depende de la temperatura del agua de alimentación; cuanto menor sea la temperatura del agua de alimentación, mayor será el volumen de oxígeno disuelto presente. Cualquier oxígeno restante se trata entonces con la adición de un limpiador químico de oxígeno como el sulfito de sodio catalizado. 8 ppm de sulfito de sodio son suficientes para tratar 1 ppm de oxígeno disuelto. Sin embargo, es usual añadir un extra (o ‘reserva’) de 4 ppm de sulfito de sodio porque:
• Hay un peligro significativo de daño corrosivo.
• El sistema de dosificación química generalmente es de ‘bucle abierto’ con muestras de agua tomadas a intervalos, y ajustes hechos a la tasa de dosificación.
• Hay una preocupación sobre la dispersión completa del químico, quizás debido al método de inyección, corrientes de circulación, o estratificación dentro del depósito de alimentación. La tasa de dosificación total, por lo tanto, es 8 ppm de sulfito de sodio por cada 1 ppm de oxígeno disuelto más 4 ppm. Otros limpiadores de oxígeno involucran compuestos orgánicos o hidracina. Este último, sin embargo, se considera cancerígeno, y generalmente no se usa en plantas de baja y media presión. Otros ‘tratamientos internos’ para proporcionar protección a la caldera y el sistema de condensado pueden incluir:
• Aminas neutralizantes - Estas tienen un efecto neutralizante sobre el ácido generado por la solución de dióxido de carbono en el condensado.
• Aminas formadoras de película - Estas crean una película oleosa atractiva, repelente al agua sobre las superficies metálicas que es resistente tanto al dióxido de carbono como al oxígeno. Más detalle sobre este tema complicado está disponible en manuales de tratamiento de agua y especialistas en tratamiento de agua; esto es en gran medida un asunto para consejo experto y análisis profesional. Hay sin embargo, una o dos áreas que requieren más explicación:
• El programa principal de tratamiento de agua de la caldera tiene como objetivo cambiar las sales formadoras de sarro en lodos blandos o móviles. Los acondicionadores de lodo usados en la dosificación química previenen que estos sólidos se depositen en las superficies metálicas y los mantienen en suspensión.
• Bajo altas presiones y temperaturas, la sílice puede presentar un problema real porque puede combinarse con las superficies metálicas de calentamiento para causar puntos calientes. Polímeros sintéticos especiales pueden prevenir este problema.
• Los niveles de alcalinidad en la caldera son particularmente importantes y se controlan mediante la adición de hidróxido de sodio. Mantener un nivel de pH entre 10,5 - 12 evitará problemas de corrosión proporcionando condiciones estables para la formación de una película de magnetita (Fe3O4) en una capa delgada y densa sobre las superficies metálicas, protegiéndolas del ataque corrosivo. Los químicos añadidos durante el tratamiento de acondicionamiento aumentarán el nivel de TDS en el agua de caldera y se requerirá una tasa más alta de purga.