Dutos Principais de Vapor e Retiradas

Este tutorial examina as disposições dos dutos principais de vapor e outras considerações de projeto necessárias para aquecimento eficiente, boa qualidade de vapor e distribuição adequada de vapor da casa de caldeiras.

Dutos Principais de Vapor e Retiradas

Caldeiras de casco são feitas para capacidades de até cerca de 27 000 kg/h de vapor. Quando cargas superiores a isso são necessárias, duas ou mais caldeiras são conectadas em paralelo, com uma instalação de quatro ou mais caldeiras não sendo incomum. O projeto do duto principal de vapor interconectado é de grande importância. A Figura 3.8.1 mostra um método comum de conectar quatro caldeiras: um método que é frequentemente fonte de problemas. Referindo-se à Figura 3.8.1, com todas as caldeiras operando na mesma pressão, a pressão no ponto A deve ser menor do que a do ponto B para que o vapor flua do ponto B para a planta. Consequentemente, deve haver uma maior queda de pressão entre a caldeira número 4 e o ponto A do que a caldeira número 3 e o ponto B, enquanto a diferença nessas duas quedas de pressão ocorre entre A e B.

O fluxo depende da queda de pressão, segue-se então que a caldeira número 4 descarregará mais vapor no duto principal comum do que a caldeira número 3. Da mesma forma, a caldeira número 3 descarregará mais que a número 2, e assim por diante. O efeito líquido é que se a caldeira número 1 estiver totalmente carregada, as outras caldeiras estão progressivamente sobrecarregadas, o efeito piorando mais próximo da retirada final.

Pode ser demonstrado que, tipicamente, se a caldeira número 1 estiver totalmente carregada, a número 2 estará cerca de 1% sobrecarregada, a número 3 cerca de 6%, e a número 4 cerca de 15% sobrecarregada. Enquanto caldeiras de casco são capazes de lidar com condições ocasionais de sobrecarga de 5%, uma sobrecarga de 15% é indesejável.

A velocidade aumentada de saída de vapor da caldeira cria uma superfície de água extremamente volátil, e o sistema de controle de nível pode falhar em controlar.

Em cargas altas, neste exemplo, a caldeira número 4 bloquearia, jogando um sistema já instável sobre as três caldeiras restantes, que também bloqueariam em breve.

A principal observação é que este projeto de duto principal de distribuição não permite que as caldeiras compartilhem a carga igualmente.

O objetivo deve ser que as quedas de pressão entre cada saída de caldeira e a retirada do duto principal para a planta estejam dentro de 0,1 bar. Isso minimizará o arraste e ajudará a prevenir sobrecarga e bloqueio das caldeiras.

O layout mostrado na Figura 3.8.2 mostra um projeto melhorado de um novo duto principal. O duto principal é arranjado para descarregar do centro, em vez de em uma extremidade. Dessa forma, nenhuma caldeira será sobrecarregada pelo duto principal em mais de 1%, desde que a tubulação do duto principal seja devidamente dimensionada.

Uma disposição melhor é mostrada na Figura 3.8.3 para uma instalação de quatro ou mais caldeiras, semelhante a uma árvore genealógica, onde a carga em cada caldeira é distribuída igualmente. Essa disposição é recomendada para caldeiras pesadamente carregadas, com controle de sequenciamento onde uma ou mais estão regularmente offline.

É enfatizado que o projeto correto do duto principal economizará muitos problemas e despesas posteriormente. O projeto correto do duto principal da caldeira em aplicações multi-caldeiras sempre resultará em uma operação bem equilibrada.

Retiradas de vapor

Tendo considerado a disposição geral do duto principal de vapor, as seguintes condições precisam ser garantidas:

Que o vapor seco seja exportado para a planta.
Que a operação de aquecimento seja devidamente controlada.
Que o vapor seja adequadamente distribuído para a planta.
Que uma caldeira não possa acidentalmente pressurizar outra.

Arraste de água

Quando uma caldeira bem projetada gera vapor sob condições de carga estável, a fração de sequidade do vapor será alta, aproximadamente 96 a 99%. Mudanças de carga que ocorrem mais rápido do que a caldeira pode responder afetarão negativamente a fração de sequidade. O controle deficiente do TDS da água da caldeira, ou contaminação da água de alimentação da caldeira, resultará em vapor úmido sendo descarregado da caldeira. Vários problemas estão associados a isso:

Gotas de água nos dutos de vapor tenderão a erodir o interior do dutos, e quaisquer outros acessórios e válvulas, especialmente se as velocidades forem altas.
Água em um sistema de vapor dá o potencial para golpe de aríete perigoso.
Água no vapor não contém a entalpia de evaporação que a planta foi projetada para usar, portanto transportá-la para a planta é ineficiente.
Água arrastada com o vapor de uma caldeira inevitavelmente conterá sólidos dissolvidos e suspensos, que podem contaminar controles, superfícies de transferência de calor, armadilhas de vapor e o produto. Por essas razões, um separador próximo à caldeira é recomendado. Separadores funcionam forçando o vapor a mudar de direção rapidamente. Isso resulta nas partículas de água muito mais densas serem separadas do vapor devido à sua inércia, e então encorajadas a gravitar para o fundo do corpo do separador, onde se acumulam e drenam através de uma armadilha de vapor.

Aquecimento

É essencial que quando uma caldeira é colocada em operação, isso seja feito de maneira lenta, segura e controlada para evitar:

Golpe de aríete - Onde grandes quantidades de condensado estão dentro do tubo e depois são empurradas ao longo do tubo em velocidades de vapor. Isso pode resultar em danos quando a água impacta com uma obstrução no tubo, por exemplo uma válvula de controle.
Choque térmico - Onde a tubulação está sendo aquecida tão rapidamente que a expansão é descontrolada, gerando tensões na tubulação e causando grande movimento nos suportes de tubo.
Priming - Onde uma redução súbita de pressão de vapor causada por uma carga grande e subitamente aplicada pode resultar na água da caldeira ser puxada para dentro da tubulação. Isso não é apenas ruim para a operação da planta, a caldeira frequentemente pode ir para ‘bloqueio’ e levará algum tempo para retornar a caldeira ao status operacional. A água descarregada também pode causar golpe de aríete na tubulação. O período de aquecimento para cada planta será diferente e dependerá de muitos fatores. Uma caldeira pequena de baixa pressão em uma planta compacta como uma lavanderia, por exemplo, poderia ser levada à pressão de operação em menos de 15 minutos. Um grande complexo industrial pode levar muitas horas. O ponto de partida, ao colocar com segurança uma pequena caldeira em operação, é a válvula de retenção principal, que deve ser aberta lentamente.

Em plantas maiores, no entanto, a taxa de aquecimento é difícil de controlar usando a válvula de retenção principal. Isso é porque a válvula de retenção principal é projetada para fornecer bom isolamento; ela tem um assento plano que significa que toda a força exercida ao girar a volante age diretamente no assento, garantindo assim uma vedação boa sob pressão. Também significa que a válvula não é caracterizada e passará aproximadamente 80% de sua capacidade nos primeiros 10% de seu movimento.

Por essa razão, é boa prática instalar uma válvula de controle após a válvula de retenção principal. Uma válvula de controle tem um obturador perfilado, o que significa que a relação entre um aumento no fluxo e o movimento do obturador é muito menos severa. Consequentemente, a taxa de fluxo, e portanto a taxa de aquecimento, é melhor controlada.

Um exemplo de uma válvula de controle instalada após a válvula de retenção principal da caldeira é mostrado na Figura 3.8.4.

Uma disposição típica de aquecimento pode ser que a válvula de controle é fechada até que a caldeira seja necessária.

Neste ponto, um temporizador de pulso abre lentamente a válvula de controle ao longo de um período predeterminado de tempo. Essa disposição também tem a vantagem de não exigir mão de obra (a menos que a caldeira seja aquecida a frio) durante o período de aquecimento da caldeira, que pode ser durante as horas crepusculares. O assunto de colocar caldeiras em operação é coberto pelas diretrizes do HSE no Reino Unido. Em grandes sistemas de distribuição, uma válvula de controle de tamanho de linha ainda é frequentemente muito grosseira para fornecer o aquecimento lento necessário. Nessas circunstâncias, uma pequena válvula de controle em um loop ao redor de uma válvula de isolamento poderia ser usada. Isso também tem a vantagem de que onde válvulas de paralelo deslizante são usadas para isolamento, a pressão pode ser equalizada em ambos os lados da válvula antes de abrir. Isso as tornará mais fáceis de abrir e reduz o desgaste. Prevenindo que uma caldeira pressurize outra Da BS 2790, Seção 8.8.3. Onde duas ou mais caldeiras estão conectadas a um duto principal comum, além da válvula de retenção principal da caldeira, uma segunda válvula deve ser incorporada na conexão de vapor, e esta válvula deve ser capaz de ser travada na posição fechada. Isso permite melhor proteção para uma caldeira descomissionada quando isolada do duto principal de distribuição. A menos que uma válvula de não-retorno separada seja instalada na conexão de vapor, uma das duas válvulas de retenção deve incorporar um recurso de não-retorno. O objetivo desta seção do Padrão Britânico é fornecer condições de trabalho seguras quando a caldeira é desligada para reparo ou inspeção. Válvulas de não-retorno simples do tipo aba não são adequadas para esse propósito, porque pequenas mudanças nas pressões das caldeiras podem fazê-las oscilar, colocando carga excessiva em uma caldeira ou outra alternadamente. Isso pode, sob condições severas, causar sobrecarga cíclica das caldeiras. Muitos casos de instabilidade com instalações de duas caldeiras são causados dessa maneira. Válvulas de retenção principais com válvulas de não-retorno integradas tendem a sofrer menos desse fenômeno. Alternativamente, válvulas de retenção de disco com mola podem fornecer um efeito de amortecimento que tende a reduzir os problemas causados pela oscilação (Figura 3.8.5). A BS 2790 afirma que uma válvula de não-retorno deve ser instalada nesta linha juntamente com a válvula de retenção principal, alternativamente, a válvula de retenção principal deve incorporar uma válvula de não-retorno integrada.

Normas relacionadas a caldeiras (Reino Unido)

Instrumento estatutário 1989 No. 2169 (Os regulamentos de sistemas pressurizados e recipientes de gás transportáveis de 1989) com o guia associado e código de prática aprovado. Garantindo distribuição adequada de vapor O ponto de partida para o sistema de distribuição é a casa de caldeiras, onde é frequentemente conveniente que as linhas de vapor da caldeira converjam em um coletor de vapor geralmente chamado de duto principal de distribuição. O tamanho do duto principal dependerá do número e tamanho das caldeiras e do projeto do sistema de distribuição. Em uma grande planta, a abordagem mais prática é distribuir vapor através de um duto principal de alta pressão ao redor do local. A distribuição de alta pressão é geralmente preferida, pois reduz os tamanhos de tubulação em relação às capacidades e velocidades. As perdas de calor também podem ser reduzidas devido aos diâmetros de tubulação totais menores. Isso permite que suprimentos de vapor sejam retirados do duto principal, seja diretamente para usuários de alta pressão, ou para estações de redução de pressão fornecendo vapor para usuários locais a pressão reduzida. Um duto principal de vapor na casa de caldeiras fornece um ponto de partida centralizado útil. Ele fornece uma função separadora adicional se o separador da caldeira for sobrecarregado, e um meio de permitir que as caldeiras conectadas compartilhem a carga do sistema de distribuição. Pressão de operação O duto principal deve ser projetado para a pressão de operação da caldeira e para cumprir os Regulamentos de Sistemas Pressurizados. É importante lembrar que os padrões de flange são baseados em temperatura e pressão, e que a pressão permitida diminui à medida que a temperatura de operação aumenta.

Por exemplo, uma classificação PN16 é 16 bar a 120°C, mas é adequada apenas para até 13,8 bar de vapor saturado (198°C).

Diâmetro O diâmetro do duto principal deve ser calculado com uma velocidade máxima de vapor de 15 m/s sob condições de plena carga. A baixa velocidade é importante, pois ajuda qualquer umidade arrastada a se depositar.

Retiradas Estas devem ser sempre do topo do duto principal de distribuição.

A gravidade e a baixa velocidade garantirão que qualquer condensado caia e drene do fundo do duto principal. Isso garante que apenas o vapor seco seja exportado.

Armadilhas de vapor É importante que o condensado seja removido do duto principal assim que se forma. Por essa razão, uma armadilha mecânica, por exemplo uma armadilha de flutuador, é a melhor escolha. Se o duto principal for o primeiro ponto de armadilhamento após as retiradas da caldeira, o condensado pode conter partículas de arraste e pode ser útil drenar essa armadilha de vapor para o vaso de blowdown da caldeira, em vez do tanque de alimentação da caldeira.

Leitura relacionada:

O Circuito de Vapor e Condensado, Bloco 11, ‘Armadilhas de Vapor’
O Circuito de Vapor e Condensado, Bloco 10, ‘Distribuição de Vapor’