ing la bomba adecuada para aplicaciones de generación de energía
Las centrales eléctricas de turbinas de gas de ciclo combinado (CCGT) presentan desafíos difíciles para las bombas y los equipos asociados, como válvulas y sellos.
Las altas temperaturas y presiones de operación son características de muchas aplicaciones que operan dentro de las plantas CCGT. También se espera que las plantas CCGT manejen variaciones rápidas de carga y se requiere que arranquen y se detengan con frecuencia. Como resultado, las bombas deben diseñarse y seleccionarse para manejar condiciones de operación transitorias severas.
IMAGEN 1: Bomba de sección de anillo difusor (Imágenes cortesía de Flowserve)
Una planta típica de ciclo combinado puede tener entre 50 y 100 bombas. Estos tipos de bombas suelen incluir:
multietapa, entre rodamientos, bombas de sección anular (BB4)
bombas verticales, de pozo húmedo, de una etapa (VS1)
bombas verticales, enlatadas, multietapa (VS6)
bombas horizontales, de una etapa, partidas axialmente (BB1, BB2)
bombas de servicio general de succión final (OH1)
Bombas de aspiración final de alta presión y temperatura (OH2)
bombas de sumidero (VS4, VS5)
bombas de vacío de anillo líquido
IMAGEN 2: Bomba de barril de doble carcasa
Bombas principales de agua de alimentación
El propósito de una bomba de alimentación principal es entregar agua de alimentación desde el tambor de baja presión (LP) a las entradas del economizador de las secciones de presión intermedia (IP) y alta presión (HP) del generador de vapor de recuperación de calor (HRSG).
Las bombas de sección anular, de difusor en línea y multietapa se especifican con mayor frecuencia para este servicio en plantas de ciclo combinado.
Ocasionalmente, los clientes especificarán un diseño de caja doble para estas aplicaciones.
El agua de alimentación de la caldera se trata químicamente a un alto nivel de pureza, lo que la hace más corrosiva que el agua sin tratar. Como resultado, los componentes de manejo de fluidos (p. ej., carcasas de etapa, difusores e impulsores) que ven altas velocidades de fluido deben proporcionarse con un 12 por ciento de cromo (CA6NMN) para evitar daños por erosión y corrosión.
IMAGEN 3 (izquierda): Bomba de condensados con impulsor de primera etapa de aspiración simple.
IMAGEN 4 (derecha): Bomba de condensado de primera etapa y doble aspiraciónEl resultado es una pieza fiable y dúctil, con una dureza superficial maximizada, que es la combinación ideal de características de la pieza. DLD es un proceso de soldadura que une metalúrgicamente un polvo de metal al material base. Debido a una entrada de calor controlada y localizada, este proceso se puede aplicar a varios metales base sin distorsión o la necesidad de un tratamiento térmico posterior a la soldadura.
El rendimiento de succión, si bien es importante para todas las bombas, es una preocupación para las bombas de alta energía en el servicio de alimentación de calderas.
El cabezal de succión positivo neto disponible (NPSHa) está limitado por la altura física del recipiente de succión, pero se deben mantener ciertas relaciones de margen de NPSHa y NPSH requerido (NPSHr) para lograr un rendimiento óptimo y una vida útil prolongada. El impulsor de primera etapa se selecciona con especial cuidado y, a menudo, presenta un ojo de succión más grande o, en algunos casos, un diseño de doble succión.
Las bombas ofrecen una conexión de despegue intermedia para proporcionar flujo a la sección IP del HRSG. Las bombas de alimentación de calderas están sujetas a oscilaciones de carga repentinas y funcionan en numerosas condiciones de funcionamiento. Como resultado, la disposición típica de los cojinetes son los cojinetes radiales de manguito y los cojinetes de empuje del tipo almohadilla basculante en aplicaciones que superan los 4000 caballos de fuerza (hp).
Las bombas de alimentación pueden ser de accionamiento directo o de velocidad variable con el uso de acoplamientos de fluido o accionamientos de frecuencia variable (VFD).
La configuración más común es 2 x 100 por ciento por HRSG.
Bombas de Extracción de Condensados
Las bombas de extracción de condensado se utilizan para bombear condensado desde el pozo caliente del condensador hasta la entrada del economizador de LP del HRSG. Las configuraciones más comunes son bombas de 2 x 100 por ciento o 3 x 50 por ciento de capacidad por condensador (no por HRSG).
El diseño del impulsor de la primera etapa es fundamental, ya que se requiere que las bombas de condensado funcionen con NPSHa bajo. El condensador funciona a un vacío de aproximadamente 0,65 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) bar (0,045 bar absoluto). El condensado está cerca de su punto de vaporización con una temperatura típica de 35 C a 40 C (95 F a 105 F). Esto significa que el NPSHa al nivel del líquido en el pozo caliente del condensador es cero. Como resultado, una bomba multietapa vertical enlatada generalmente se selecciona para
esta aplicación.
Para una operación confiable, el diseño del impulsor de primera etapa debe incluir:
velocidad específica de succión (NSS) inferior a 12 000 para garantizar la estabilidad del flujo en una amplia gama de operaciones
una velocidad periférica de entrada del impulsor (velocidad de punta de entrada) que está por debajo de 70 pies por segundo (ft/s)
material resistente a la cavitación, como 12 por ciento de cromo
Debido a la alta presión en esta aplicación crítica, se recomienda un sello mecánico tipo cartucho para sellar las bombas de fluido. Los sistemas de sellado de la bomba asociados deben evitar que entre aire en la bomba cuando está en modo de espera bajo vacío. Los Planes API 13 y 32 logran esto.
Bombas de agua de refrigeración del condensador (CCW)
Todas las centrales térmicas expulsan grandes cantidades de calor al medio ambiente, y una central CCGT no es una excepción. Una planta típica de ciclo combinado con una eficiencia térmica del 57 por ciento expulsará el 43 por ciento del calor aportado por el combustible. Alrededor del 9 por ciento saldrá de la pila HRSG. El resto es eliminado por el agua de refrigeración bombeada a través del condensador.
Tradicionalmente, los condensadores se han enfriado con agua utilizando sistemas de un solo paso o cerrados (torre de enfriamiento). El requerimiento de agua de enfriamiento de una planta CCGT típica que usa una torre de enfriamiento se puede estimar en alrededor de 250 gpm por megavatio (MW). Como resultado, una planta de ciclo combinado de 750 MW requerirá un flujo de agua de enfriamiento de alrededor de 187 500 gpm, que normalmente se compartiría entre dos bombas.
Los requisitos ambientales en muchas regiones ya no permiten el enfriamiento de un solo paso desde ríos o lagos. Incluso las torres de enfriamiento convencionales enfriadas por vía húmeda pueden ser un problema, ya que aún se requieren extracciones de agua para compensar la purga, así como la evaporación y la deriva de la torre. Como resultado, los condensadores enfriados por aire son cada vez más comunes. Su costo de capital inicial es mucho más alto y la eficiencia térmica de la planta puede reducirse hasta en un 3 o 4 por ciento en ubicaciones con temperatura ambiente alta.
La elección más frecuente para esta aplicación es una bomba vertical de una sola etapa con un impulsor semiabierto.
Sin embargo, dependiendo de la preferencia específica del usuario final, se pueden usar bombas de voluta de hormigón, de una sola etapa, de doble succión divididas horizontalmente.
IMAGEN 5-7: Tipos de bomba de agua de refrigeración del condensador (CCW)
Tipos de bomba CCW
Independientemente del tipo de construcción, estos elementos críticos deben revisarse para garantizar un rendimiento óptimo y confiable en todos los modos operativos:
Asegúrese de que haya suficiente inmersión desde el nivel bajo del agua para suprimir el vórtice y proporcionar suficiente NPSHa para evitar la cavitación en la condición de caudal máximo o descentramiento.
Evalúe las opciones de materiales para todos los componentes críticos, particularmente cuando se manipule agua salobre o de mar. Las opciones de materiales van desde acero al carbono revestido hasta súper dúplex. Al manipular agua de mar u otras soluciones con alto contenido de cloruro, se debe considerar una aleación de acero inoxidable con un número equivalente de resistencia a las picaduras (PREN) superior a 40. (El PREN es una medida de la resistencia relativa a la corrosión por picaduras del acero inoxidable en un entorno que contiene cloruro). Los elementos que tienen un impacto significativo son el cromo (Cr), el molibdeno (Mo) y el nitrógeno (N). La fórmula PREN, que cuantifica su respectivo aporte, se muestra en la Ecuación 1: PREN = 1 × %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
Los valores más altos de PREN indican una mayor resistencia a la corrosión.
Al evaluar los materiales, el primer costo, aunque importante, no debe ser el único factor. Se debe considerar el costo total del ciclo de vida del equipo.
El rendimiento y la confiabilidad de estas bombas CCW de alto flujo se ven muy afectados por el diseño de las estructuras de entrada en las que están instaladas. Las condiciones estables de la bomba requieren una distribución uniforme del flujo que se aproxima a la entrada de succión de la bomba. El estándar del Instituto Hidráulico ANSI/HI 9.8-2019 "Bombas rotodinámicas para el diseño de entrada de bomba" proporciona pautas para los diseños de entrada de bomba. Uno de los métodos más probados para predecir el rendimiento de una instalación es duplicarlo con una prueba de modelo a escala física.
Bombas y sistemas (pumpsandsystems.com)