¿Perseguir la demanda de la red eléctrica está acabando con su gran caldera de carbón? Aquí hay cuatro preocupaciones para abordar

Operar calderas de carbón pulverizado en condiciones de baja carga presenta varios desafíos. Este artículo ofrece consejos para mantener las unidades en las mejores condiciones de funcionamiento posibles.

En el mercado energético actual, con la mayor penetración de las energías renovables y las centrales eléctricas de ciclo combinado de alta eficiencia, muchas de las centrales eléctricas de carbón pulverizado (PC) que alguna vez funcionaron con carga base deben ciclar y/u operar con carga baja. Muchas plantas de PC están operando al 25% al ​​50% de su capacidad máxima continua durante los períodos en que el suministro de energía renovable alcanza su punto máximo. Esto expone nuevos desafíos operativos que impactan no solo la eficiencia de la planta en estas cargas sino también la confiabilidad de la caldera.

La estabilidad y confiabilidad de la red depende de la flota de carbón para cambios rápidos de carga a medida que las energías renovables aumentan o disminuyen. En el verano y el invierno, durante las condiciones climáticas extremas, se depende de las plantas de carbón para la generación eléctrica principal. La experiencia de Storm Technologies con la operación de carga baja y los desafíos que puede presentar se remontan a antes de las características operativas recientes de las plantas actuales. La mayoría de los profesionales en la industria de la energía son conscientes de las tensiones adicionales que pueden tener los ciclos o la operación de baja carga en los materiales de la caldera, las soldaduras de metales diferentes y la química del agua, por nombrar algunos. Por el contrario, Storm descubrió que hay una serie de mejoras en las operaciones y los parámetros controlables de mantenimiento que son de bajo costo comparable y que a menudo se pasan por alto. Estos cambios, cuando se abordan y monitorean, pueden mejorar la flexibilidad operativa y la confiabilidad de la planta en general.

Mientras ciclan o funcionan con carga baja, los pulverizadores en algún punto están operando en el extremo inferior de la rampa de aire primario o lo que se conoce como el punto de referencia de aire mínimo (Figura 1). En este punto, el pulverizador es más susceptible a los rechazos de carbón. Storm Technologies considera que los rechazos de carbón son una penalización "sigilosa" en la tasa de calor; también es un problema de seguridad debido al combustible crudo que se derrama por la garganta y está expuesto al flujo de aire primario caliente en un ambiente muy rico en aire.

1. Rampa de aire primario versus carga del pulverizador. Cortesía: Storm Technologies

Si aparecen rechazos de carbón cuando se opera a rendimientos más bajos, a menudo está directamente relacionado con el flujo de aire primario más bajo, lo que da como resultado una velocidad de chorro libre más baja a través de la garganta del pulverizador. Abordar cuántos pulverizadores se necesitan para operar en todo el rango de carga de su caldera debería ser una tarea bastante fácil y algo para lo que las operaciones probablemente tengan un procedimiento. Sin embargo, Storm a menudo descubre que las plantas podrían estar operando con menos pulverizadores en servicio, pero los operadores simplemente eligen no poner los pulverizadores fuera de servicio. Esto reduce el rendimiento a través de los pulverizadores y, en muchos casos, hace que los pulverizadores funcionen con la porción mínima de aire de la curva de aire principal.

La Figura 1 ilustra un ejemplo simplificado de que al retirar dos pulverizadores de servicio y operar con solo dos pulverizadores, usted aumenta efectivamente el flujo de aire primario a través de los pulverizadores en funcionamiento al moverse a la parte inclinada de la rampa de aire primario. Como resultado de retirar los pulverizadores de servicio, aumenta la velocidad a través de la garganta de los pulverizadores en servicio, lo que en la mayoría de los casos elimina los rechazos de carbón que pueden plagar los pulverizadores en el punto mínimo de ajuste de aire.

Salvo un problema mecánico dentro del pulverizador, los rechazos de carbón están relacionados casi exclusivamente con la geometría de la garganta del pulverizador para un conjunto dado de condiciones de entrada. Si el área abierta alrededor de la garganta tiene un tamaño tal que la velocidad del aire primario cae por debajo de 7,000 pies por minuto (fpm), entonces el carbón crudo comenzará a derramarse fuera del pulverizador. Una vez más, esto en la mayoría de los casos da como resultado el desperdicio de combustible y aumenta la posibilidad de una excursión.

Durante muchos años, Storm ha estado aplicando soluciones de ingeniería para aumentar las velocidades de la garganta de modo que, en el punto de ajuste mínimo del aire, la velocidad de la garganta del pulverizador sea de 7000 fpm y no haya rechazos de carbón mediante la instalación de un conjunto de deflector y garganta giratoria diseñado por Storm (Figura 2). . A lo largo de los años, ha habido una preocupación que los ingenieros de planta han tenido con este diseño probado, es decir, al reducir el área abierta que rodea inmediatamente la garganta, la caída de presión en la garganta aumenta a medida que aumenta el flujo de aire primario. Como resultado, los ingenieros de Storm diseñaron y patentaron una garganta ajustable que alivia la mayor caída de presión a tasas de flujo de aire primario más altas, mientras mantiene las velocidades de garganta requeridas de 7,000 fpm en el punto de ajuste de flujo de aire primario mínimo. Esto se logra de manera efectiva proporcionando una segunda ruta de aire principal al pulverizador y controlando con precisión el flujo de aire principal a cada zona mediante un venturi calibrado. En general, tanto el diseño de garganta Storm original como el nuevo patentado eliminarán los rechazos de carbón asociados con la operación de un pulverizador a bajos rendimientos, lo que puede mejorar la confiabilidad de su planta de energía.

2. El deflector y la garganta giratoria Storm original se muestran a la izquierda, con el nuevo diseño de garganta ajustable patentado por Storm que se muestra a la derecha. Cortesía: Storm Technologies

Cuando una planta de PC diseñada para operación de carga base tiene que seguir la demanda de la red y operar con pulverizadores fuera de servicio, puede ser extremadamente perjudicial para la salud de los quemadores de carbón pulverizado que están fuera de servicio. Muchos lectores pueden pensar que cuando el quemador de carbón pulverizado está en servicio, es cuando los materiales del quemador estarán sujetos a la mayor cantidad de calor, debido a la llama de 3,000F que se mantiene entre seis y 12 pulgadas de la punta del quemador. el quemador. Sin embargo, exactamente lo contrario es cierto.

Mientras el quemador está en servicio, la boquilla del quemador en la mayoría de las unidades de los EE. UU. tiene una mezcla de aire y combustible que pasa a través de la boquilla que generalmente oscila entre 135 °F y 180 °F, lo que enfría efectivamente el quemador a una temperatura del metal de 300 °F a 400 °F mientras está en servicio. Una vez que se pone fuera de servicio un pulverizador o un conjunto de quemadores de carbón pulverizado, es cuando las temperaturas del metal comienzan a aumentar significativamente.

Los quemadores de hoy en día, cuando están fuera de servicio, ya no están diseñados con ningún suministro de aire de refrigeración, como antes. Por lo tanto, esto deja todo el enfriamiento al aire secundario, que en promedio es de unos 650F. Cuando un quemador está fuera de servicio, se expone a cantidades extremas de calor radiante del proceso de combustión en la zona del cinturón del quemador del horno. Esto puede aumentar rápidamente las temperaturas del metal del quemador por encima de 1400F. Cuando las boquillas de los quemadores se exponen a estas temperaturas con el tiempo, comienzan a deformarse y agrietarse, como se muestra en la Figura 3, lo que es perjudicial para la eficiencia del quemador.

3. Daños en el quemador por sobrecalentamiento. Cortesía: Storm Technologies

Storm siempre ha sido partidario de instalar termopares soldados aproximadamente a seis pulgadas de la punta de la boquilla, como se muestra en la Figura 4. Luego, estos termopares se pueden monitorear en la sala de control para garantizar que se mantenga una cantidad adecuada de aire de enfriamiento para mantenga la temperatura del quemador por debajo de 700F mientras está fuera de servicio. Además, durante el arranque del pulverizador, si el carbón pulverizado se envía a un quemador que no se ha enfriado lo suficiente a menos de 700 °F, el carbón puede comenzar a adherirse a la boquilla del quemador, a los difusores de carbón o a cualquier otra superficie metálica con la que el carbón entre en contacto. , lo que puede provocar un incendio en el quemador.

4. Termopar de boquilla de quemador soldado con almohadilla. Cortesía: Storm Technologies

Mantener temperaturas del quemador por debajo de 700F solo con aire secundario es casi imposible, por lo que Storm cree firmemente que el enfriamiento del quemador debe lograrse con un ventilador de aire de enfriamiento externo, que era común en las calderas en la década de 1970. Dicho esto, no importa si su caldera está equipada con refrigeración por quemador o no, los termopares soldados por almohadilla pueden ser una herramienta muy útil para ayudar a evitar temperaturas excesivas en el metal del quemador que pueden provocar el daño que se ve en la Figura 3, lo que alterará la combustión. provocar el reemplazo prematuro de los componentes del quemador o un incendio en el quemador.

La operación y el control eficientes de la caldera no se pueden lograr con ninguna carga sin una medición y un control precisos del flujo de aire suministrado a los pulverizadores y la caldera. El Código de Riesgos de Calderas y Sistemas de Combustión de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA 85) requiere que una caldera de PC mantenga un 25% del flujo de aire a plena carga como el flujo de aire mínimo permitido durante la operación. En casos extremos, Storm ha encontrado calderas que funcionan con casi un 100 % más de flujo de aire que el necesario para la combustión cuando funcionan con cargas bajas.

¿Cómo puede el flujo de aire llegar tan lejos? Hay tres factores principales en la experiencia de Storm que conducen a cantidades excesivas de flujo de aire con cargas más bajas. El primero es la falta de una medición precisa del flujo de aire. La Tabla 1 ilustra los resultados de una prueba de flujo de aire secundario total en una caldera de 470 MW. Como puede ver, las indicaciones del flujo de aire están fuera de un promedio del 13 % con cargas reducidas, donde el flujo de aire real medido es más alto que el indicado. Además, se podría notar la inconsistencia en la desviación de la medición del perfil aerodinámico norte entre cada prueba. Esto es indicativo de una superficie aerodinámica o línea de detección obstruida o con fugas, que es muy común encontrar cuando se realiza este tipo de prueba.

Tabla 1. Resultados de la prueba de aire secundario total. Cortesía: Storm Technologies

En segundo lugar, Storm descubrió que los ingenieros de la planta en el sitio a menudo prefieren un pequeño colchón, o un factor de seguridad, para estar en su lugar con un flujo de aire mínimo, por lo que pueden aumentar el flujo de aire mínimo al 30% o 35%. Pero si combina esto con el hecho de que la indicación de flujo de aire podría estar indicando un 13 % menos de flujo de aire que el real, puede terminar rápidamente entre el 40 % y el 50 % de su flujo de aire total con cargas bajas.

Por último, los encendedores, si están en servicio, pueden tener llamas oscuras/nebulosas. La reacción inicial de la planta puede ser aumentar el flujo de aire a la caldera, pero como veremos con más detalle en nuestra cuarta preocupación, esto no siempre es beneficioso.

Agregar más aire puede no parecer tan mala idea cuando los operadores se enfocan en la combustión de la caldera. Sin embargo, demasiado aire aumenta las penalizaciones por pérdida de gas seco de las calderas y, si es lo suficientemente alto, puede requerir flujos de rociado de sobrecalentamiento con cargas bajas, lo que también es una penalización de la tasa de calor. Además, si la caldera está funcionando al 25% de la carga, la presión diferencial a través del sobrecalentador es probablemente un dieciseisavo de la presión diferencial a plena carga, y grandes cantidades de agua rociada podrían obstruir los circuitos de los tubos del sobrecalentador, lo que provocaría daños a corto plazo. fallas por sobrecalentamiento.

Durante el arranque, el apagado o cuando los encendedores de aceite se ponen en servicio como encendido complementario para pulverizadores fuera de servicio, a menudo se descubre que los encendedores sufren patrones de llama "perezosos". Se sabe que esto es la fuente de arrastre de aceite líquido, niveles elevados de opacidad e incluso ha causado incendios en los calentadores de aire. Se descubrió que la diferencia en los patrones de llama y la intensidad que se ven en las imágenes de antes y después del ajuste en la Figura 5 son el resultado directo de un control deficiente de la compuerta de aire auxiliar, que estaba suministrando la mayor parte del aire de combustión a los quemadores fuera de servicio. en lugar de a los encendedores en servicio. Al ajustar los amortiguadores y forzar el aire a los encendedores en servicio, la opacidad se redujo del 40 % a menos del 5 % y se eliminó el arrastre de aceite líquido.

5. Llamas de encendido deficientes (izquierda) versus llamas óptimas (derecha). Cortesía: Storm Technologies

Más recientemente, Storm participó en el ajuste de una caldera de lecho fluidizado circulante (CFB) durante el arranque. Antes de cualquier ajuste, la caldera estaba operando con niveles de CO de 0,4 a 0,5 lb/MMBtu durante el arranque, mientras utilizaba hasta 3000 galones de aceite. Se encontró una serie de problemas con respecto a las mediciones de los manómetros de presión de aceite y vapor, pero al final, el flujo de aire total suministrado a la caldera se redujo en un 46,5 % con respecto al flujo encontrado, y se optimizó la distribución del flujo de aire entre el aire primario y secundario. Al mejorar la distribución y el control del flujo de aire a la caldera, la planta pudo arrancar con una reducción de más del 50 % en el uso de aceite y niveles de CO muy mejorados (0,106 lb/MMBtu).

Para terminar, el objetivo de Storm Technologies al escribir este artículo era presentar cuatro oportunidades de mejora en la flexibilidad de las operaciones que a menudo se pasan por alto y que hasta hace poco solo se experimentaban durante períodos breves durante el arranque, pero que se están volviendo más comunes con las calderas de PC en el mercado energético actual. Hoy en día, las plantas de carbón compiten con las energías renovables no gestionables y obligatorias y, por lo tanto, deben volverse mucho más flexibles en sus operaciones.

Durante 2018, la generación de energía eléctrica promedio por combustible de carbón fue del 27,5% de la mezcla de EE. UU., según la Administración de Información de Energía. Sin embargo, el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética descubrió que durante las cargas máximas en los días más fríos del invierno, la generación de carbón puede llegar al 38 % debido a las limitaciones de las tuberías de gas natural, los costos de generación competitivos y las dificultades operativas para poner en marcha las plantas de turbinas de gas de ciclo combinado. . Eso significa que la flexibilidad y la confiabilidad de las centrales eléctricas de carbón son más importantes que nunca, no solo para los propietarios y operadores de las centrales, sino también para la seguridad nacional y el bienestar de los clientes. ■

—Shawn Cochran, PE es vicepresidente de servicios de campo e ingeniería de proyectos en Storm Technologies, con sede en Albemarle, Carolina del Norte.

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