Aproveche las ondas de detonación para limpiar los tubos de las calderas

Una de las grandes sorpresas a las que se enfrentan las plantas que pasan de un carbón bituminoso más o menos estándar a un carbón occidental es el aumento de la escoria y el ensuciamiento. Muchas plantas han informado significativamente más incrustaciones con el carbón de la cuenca del río Powder (PRB) que con su carbón anterior. Hacer frente a más incrustaciones generalmente significa modificar el número, el tipo o la ubicación de los sopladores de hollín, así como aumentar su frecuencia de operación. También hay disponibles varios sistemas de automatización que utilizan modelos termodinámicos del generador de vapor para predecir el tipo y la frecuencia de limpieza; otros usan sensores en la ruta del gas para "informar" cuando las superficies de los tubos necesitan limpieza. La única constante durante casi una década ha sido la mecánica del soplado de hollín.

No poner en orden su casa de régimen de limpieza de superficies de paso de gas es costoso. La ceniza acumulada hace que los generadores de vapor funcionen de manera menos eficiente. Eso significa que se quema más combustible y comienza la espiral de la muerte. El desafío es que cada caldera, combustible y escenario operativo es único y, por lo general, requiere una solución personalizada para que sea eficaz. La combinación correcta puede ser difícil de alcanzar. Los niveles de eficiencia más bajos se indican mediante un aumento en la caída de presión general, la temperatura del gas de salida y/o la potencia del ventilador; erosión y fugas adicionales en los tubos; altos gastos continuos de operación y mantenimiento; y cortes no planificados más frecuentes únicamente para limpieza. Si esto suena como su planta, es posible que tengamos la solución que está buscando.

Hace unos cinco años se introdujo una nueva tecnología en la industria de generación de energía de EE. UU. Utiliza la limpieza por detonación, derivada del motor de detonación de pulsos de Pratt & Whitney, que se utiliza para impulsar una nave supersónica (Figura 1). Los ingenieros que desarrollaron el motor futurista de detonación por pulsos no podrían haber previsto que esta tecnología migraría a la industria de la energía eléctrica como la tecnología de limpieza de calderas más novedosa en muchos años. El nuevo combustor de limpieza por detonación ShockSystem (Figura 2) no tiene nada que ver con el uso de dinamita o cordón detonante cuando una unidad está fuera de línea, el método de limpieza más invasivo que aún se usa. Tampoco hace referencia a otras opciones de sistemas de limpieza en línea como bocinas sónicas o cañones de agua.

1. Onda de choque. Este es el concepto de un artista de un motor de detonación de pulsos que impulsa una nave espacial. El concepto es simple: una mezcla de combustible/oxidante llena un tubo y se enciende. La rápida combustión se convierte en una onda de detonación que viaja a través del cilindro hasta ocho veces la velocidad del sonido. La combustión se completa antes de que el gas haya tenido tiempo de expandirse. La presión explosiva resultante se convierte luego en empuje para el vehículo. Cortesía: Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA

2. Diseño de sistema simple. Un combustor típico de Pratt & Whitney ShockSystem utilizado para la limpieza de calderas en línea. Cortesía: Pratt & Whitney MMI

El proceso de creación de una detonación consiste en inyectar una mezcla de combustible y oxidante en una cámara, encender esta mezcla, hacer la transición de la onda de combustión resultante a una onda de detonación y luego purgar con aire para preparar el siguiente ciclo (Figura 3). La onda de detonación viaja a velocidades supersónicas dentro de la cámara de combustión y decae rápidamente en una onda expansiva una vez que sale de la cámara y se propaga en el espacio abierto (o dentro de una estructura grande, como una caldera). La onda expansiva, también conocida como onda de presión, pulso de presión o simplemente impulso, tiene la energía necesaria para eliminar las cenizas sinterizadas y no sinterizadas en el paso posterior de las calderas. Esta onda de presión tiene poco o ningún efecto negativo sobre la erosión del tubo, y la frecuencia operativa requerida es mucho menor que la de las bocinas acústicas.

3. Funcionamiento interior. Este dibujo ilustra el ciclo de funcionamiento de ShockSystem. Fuente: Pratt & Whitney MMI

La limpieza por detonación crea una onda expansiva que se propaga omnidireccionalmente desde la salida de la cámara de combustión. Hasta la fecha, todas las aplicaciones se han montado fuera de la pared de la caldera y dirigen la onda expansiva a través de una penetración. Estas aplicaciones se han instalado tanto en calderas de tiro positivo como de tiro equilibrado. La ventaja de este tipo de instalación es que la cámara de combustión puede instalarse a lo largo de la pared de la caldera o encaminarse alrededor de estructuras externas sin correr el riesgo de perder un tubo de lanza debido a que se dobla, se atasca o se rompe durante el funcionamiento. Otra gran ventaja que ven los operadores de calderas es que las ondas de presión se controlan y aplican en línea, eliminando así interrupciones innecesarias. Los efectos a largo plazo sobre la erosión de los tubos son mínimos, las emisiones de la planta se reducen, la temperatura del gas de salida disminuye y la eficiencia general de la caldera aumenta.

La onda expansiva omnidireccional de la limpieza por detonación se propaga a través de todo el conjunto del tubo, mientras que la tecnología de soplado de hollín se limita a la limpieza de la línea de visión. Cada impulso de detonación equivale a múltiples ciclos de soplado de hollín de 6 minutos, y una cámara de combustión puede reemplazar hasta cuatro sopladores de hollín, según la configuración de la caldera. Un programa de limpieza de detonación estándar exige 10 pulsos (cada uno de ellos con una duración de unos pocos milisegundos), repetidos cada 12 horas por combustor. Los sopladores de hollín generalmente requieren un ciclo de 6 minutos cada 4 horas por soplador. La limpieza por detonación tiene éxito en el modo de mantenimiento continuo y en el modo de limpieza correctiva, eliminando los depósitos establecidos en la instalación inicial. Los sopladores de hollín se utilizan principalmente en el modo de mantenimiento continuo y no son efectivos para eliminar la ceniza que se ha permitido acumular y sinterizar.

Las cámaras de combustión de limpieza por detonación residen fuera de la caldera, mientras que los sopladores de hollín deben atravesar el interior de la caldera. El Pratt & Whitney ShockSystem solo tiene dos requisitos de mantenimiento de rutina: reemplazo de los filtros de combustible/oxidante y reemplazo de la bujía del combustor, similar al servicio de rutina de su vehículo. Compare eso con el mantenimiento requerido para los sopladores de hollín de lanza retráctil estándar, donde las boquillas y los sellos de la caja de engranajes están desgastados o dañados; tubos de lanza deformados, derretidos o corroídos; y los tubos de alimentación dañados requieren atención constante.

Un soplador de hollín de detonación ofrece un gran ahorro de costos en comparación con los sopladores de hollín tradicionales de aire y vapor, como se muestra en la tabla. Es probable que los ahorros reales sean aún mayores, ya que los sopladores de hollín de detonación a menudo pueden reemplazar a varios sopladores de hollín tradicionales. Del mismo modo, existe un beneficio de costo asociado con la eliminación de períodos de interrupción para reparaciones de sopladores de hollín o limpieza adicional de calderas.

alternativa económica. Los costos de operación y mantenimiento con el sistema de detonación ShockSystem pueden ser menores que con los sistemas de sopladores de hollín convencionales. Fuente: Pratt & Whitney

La industria también ha utilizado la limpieza acústica omnidireccional sin los efectos negativos de erosión de los tubos de los sopladores de hollín de aire y vapor tradicionales. Los resultados de las bocinas acústicas han sido moderados en el mejor de los casos. Las bocinas acústicas crean ondas de sonido, en varias frecuencias, para desalojar la ceniza sin sinterizar en las regiones de baja temperatura del paso trasero. También se han instalado en componentes ambientales aguas abajo. Incluso aquí, las bocinas acústicas a menudo no ofrecen el rendimiento anunciado. En ciertas aplicaciones, se requiere que las bocinas acústicas funcionen con mucha más frecuencia de lo previsto originalmente en un esfuerzo por mejorar su rendimiento. Esto ha causado un alto nivel de preocupación por la integridad de la caldera a largo plazo, considerando la limpieza relativamente mínima lograda.

El soplado de hollín por detonación también ofrece flexibilidad adicional para la colocación del equipo. Los sopladores de hollín convencionales requieren grandes espacios de cubierta sobre los que descansar los tubos de lanza retráctiles cuando no están en funcionamiento. Los combustores de detonación se pueden instalar en muchas configuraciones diferentes sin perder fuerza de limpieza.

Los productos de limpieza por detonación se pueden instalar a lo largo de la pared de la caldera y se pueden doblar para evitar obstáculos. En una configuración de tubo doblado, el borde exterior de una cámara de combustión está a solo unos 6 pies de la pared de la caldera. La combinación de varios tubos optimiza la limpieza y minimiza el espacio físico del dispositivo. Debido a que los productos de limpieza por detonación reemplazan a los sopladores de hollín en muchas aplicaciones, también se pueden colocar en ubicaciones de sopladores de hollín existentes adaptando las penetraciones de los sopladores de hollín para que encajen en la cámara de combustión (Figura 4).

4. Muchas opciones de instalación. Los sopladores de hollín de detonación brindan al propietario muchas opciones para la instalación, que incluyen (de izquierda a derecha): configuraciones de cámara de combustión doblada, cámara de combustión anidada y cámara de combustión recta. Cortesía: Pratt & Whitney MMI

La tecnología de limpieza de calderas en línea basada en detonación no es una bocina acústica "turbocargada". La onda expansiva creada por una cámara de combustión de detonación es una discontinuidad de presión discreta, que es fundamentalmente diferente de las ondas cíclicas de las bocinas acústicas. La amplitud de la presión es también órdenes de magnitud mayor para una onda expansiva en comparación con una onda de sonido de bocina acústica.

Aunque las tecnologías acústicas son de naturaleza omnidireccional, cada impulso de onda explosiva de una cámara de combustión de detonación entrega mucha más energía que la que puede entregar una bocina acústica, que opera en el rango de 25 a 220 Hz, en un día entero, incluso si funciona continuamente. Medida en la escala de decibelios, la onda expansiva producida por el ShockSystem dentro de la caldera es superior a 175 dB, mientras que las bocinas acústicas oscilan entre 130 y 150 dB. Fuera de la caldera, los niveles de ruido se han medido en el rango de 100 dB, muy por debajo de los límites aceptables de OSHA y que no requieren más protección auditiva que la que se usa típicamente en una planta de energía.

La limpieza por detonación tiene éxito en el modo de mantenimiento continuo y en el modo de limpieza correctiva donde se deben eliminar los depósitos establecidos. La limpieza acústica se utiliza principalmente en un modo de mantenimiento continuo y no es adecuada para eliminar la ceniza que se ha permitido acumular y sinterizar. Una serie de fotos de antes y después publicadas en el sitio web de ShockSystem (www.shock-system.com) ilustran la eficacia de limpieza del sistema.

Los resultados de las demostraciones, así como las instalaciones permanentes del ShockSystem, han demostrado que la limpieza por detonación en línea en varias regiones de la caldera es tan o más efectiva que los métodos convencionales para controlar la acumulación de depósitos de ceniza, limitar las interrupciones de la planta y mejorar la tasa de calor (Figura 5 ).

5. Es genial. La naturaleza omnidireccional de la explosión libera energía en tres dimensiones, lo que le da a la superficie de transferencia de calor una limpieza profunda. El proceso tiene tres etapas (de izquierda a derecha): primero es el puenteado y la platinación, que se muestra en una sección transversal de una caldera antes de limpiarla, luego una onda de choque se mueve a través del espacio del tubo de la caldera cuando se enciende el ShockSystem y, finalmente, la limpieza parcial de las superficies del tubo se ilustran después de que se disipa la onda de choque. La limpieza se puede repetir según sea necesario. Cortesía: Pratt & Whitney MMI

La capacidad de limpieza sin línea de visión de la onda expansiva no se puede lograr con chorros sopladores de hollín convencionales. El dispositivo de limpieza por detonación funciona durante las operaciones normales de la caldera, lo que reduce el número y/o la duración de las interrupciones de la planta necesarias para limpiar lugares que de otro modo serían inaccesibles. Se espera que esta nueva técnica resulte en un menor desgaste de los tubos atribuible a la erosión por impacto de partículas, gracias a la menor velocidad de ceniza arrastrada asociada con la onda expansiva. Esto se traduce en una vida útil más larga de la unidad y un número reducido de interrupciones no planificadas.

La cámara de combustión de limpieza por detonación en línea no supone una carga para los valiosos recursos de la planta, como el vapor o el aire a alta presión (y los compresores asociados). Se espera que esta ventaja resulte en un costo de operación significativamente más bajo. Otra ventaja con respecto a la tecnología convencional de sopladores de hollín es que el dispositivo de limpieza por detonación en línea tiene menos partes mecánicas, ya que no necesita ingresar a la caldera ni retraerse. Eso significa un costo de mantenimiento reducido. Además, la cámara de combustión de detonación se puede configurar de varias maneras, lo que permite instalaciones en áreas más confinadas que los sopladores de hollín retráctiles convencionales, que comúnmente requieren un espacio abierto externo a la caldera para su instalación.

—kirk lupkes ([email protected]) es el gerente de ingeniería de Pratt & Whitney MMI. A. Tofa McCormick ([email protected]) es analista sénior en el grupo de Marketing y Comunicaciones.

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