Automatización para la limpieza de precalentadores de aire regenerativos

Resumen

En este trabajo de investigación se estudiaron
diversos artículos relacionados con la limpieza de los
precalentadores de aire regenerativo los cuales normalmente se
encuentran instalados en plantas termoeléctricas y son un
factor importante en la producción eléctrica de
este tipo de plantas de energía, en particular los que
utilizan el fuel-oíl como combustible. Los gases de escape
de la caldera contienen grandes cantidades de partículas,
específicamente cenizas y el hollín que tienden a
obstruir la canasta después de su uso continuado; esta
obstrucción de la canasta restringe el flujo de aire de
entrada y los gases de escape, lo que provoca una caída
significativa en la eficiencia y un aumento en el consumo de
combustible. En este campo del mantenimiento sé
determinó que existen distintos procedimientos para atacar
esta limpieza de los precalentadores de aire regenerativo, sin
lograrse aún obtener un mejor método, debido a que
los mismos sólo cumplen con el objetivo principal que es
la limpieza.

Palabras Claves: Automatización,
Precalentadores, aire, regenerativo, Ljungstrom

Introducción

En la industria eléctrica es práctica
común de precalentamiento de aire el que entra a una
caldera o generador de vapor y sé utiliza junto con una
turbina-generador para dar energía eléctrica, el
precalentamiento del aire de entrada utilizado para la
combustión y la cantidad de combustible necesaria para
producir una cierta cantidad de energía se reduce y por lo
tanto la eficiencia de la caldera mejora. La entrada de aire se
calienta a través de un tipo de intercambiador de calor
conocido en la industria como un precalentador de aire. Los gases
de escape, con un contenido de energía térmica
procedente de la caldera, se utilizan para calentar una serie de
elementos de intercambio de calor que se configuran en forma de
una rueda porosa y se conoce comúnmente como una canasta.
En las plantas de energía eléctrica, en particular
las que utilizan el fuel-oíl como combustible, los gases
de escape de la caldera contienen grandes cantidades de
partículas, específicamente cenizas y el
hollín que tienden a obstruir la canasta después de
su uso continuado. Esta obstrucción de la canasta
restringe el flujo de aire de entrada y los gases de escape, lo
que provoca una caída significativa en la eficiencia. En
este artículo se tratará de evaluar una
solución a través de la automatización para
la limpieza de los precalentadores de aire regenerativos de tipo
Ljungström que se encuentran instalados en la planta
termoeléctrica del Centro mejor conocida como Planta
Centro.

Materiales y
Métodos

Precalentadores de
Aire

Los precalentadores de aire se utilizan para calentar el
aire comburente y mejorar el proceso de la
combustión en las plantas generadoras de vapor. Los humos
constituyen la fuente energética, y el calentador recoge y
utiliza el calor residual de los mismos, lo que incrementa la
eficiencia global de la caldera un 5-10%. Existen dos tipos de
precalentadores de aire donde cada uno lleva el nombre de su
creador uno es Rothemühle Fig. 1 y el otro es el
Ljungström Fig. 2. En este estudio solamente se nos
enfocaremos en el último mencionado debido a que estos son
los que se encuentran instalados en la Planta Centro.

El objetivo de los precalentadores [1] (también
llamadas rueda de calor) es un componente importante de los
sectores de energía intensiva, que se utiliza en la
recuperación de calor para aumentar la temperatura del
aire que se envía al hogar para la combustión,
aprovechando parte del calor contenido en los humos antes que
éstos lleguen a la chimenea.

[3]En estos precalentadores de aire regenerativo
Ljungström los gases provenientes de la combustión
traen partículas conocidas como Hollín y cenizas
las cuales se adhieren y obstruyen la canasta evitando así
la transferencia de calor y trayendo como consecuencia la
disminución de la eficiencia de la caldera; esto, a su vez
aumenta el consumo de energía dando lugar a
pérdidas económicas ya que [2]este proceso de
limpieza tarda mucho tiempo, desde los 25 a 50 horas para la
limpieza de los mismos [4].

Fig.1 Precalentador regenerativo de
aire Rothemühle

Estas pérdidas de energía contribuyen a
una inflación de costos de producción y
también una amenaza para el medio ambiente. Por lo cual se
estudiará cual es el mejor método de limpieza para
los precalentadores de aire regenerativos de forma
automática que sea el más efectivo.

Fig.2 Precalentador regenerativo de
aire Ljungström

Descripción Detallada del
Equipo

El precalentamiento de aire regenerativo, se compone de
8 grupos constructivos principales, los mismos se mencionan a
continuación:

• 1. Rotor.

• 2. Masa Acumuladora.

• 3. Suspensión del Rotor.

• 4. Construcción de soporte.

• 5. Caja.

• 6. Juntas.

• 7. Accionamiento.

• 8. Instalaciones auxiliares.

El rotor gira a 1.5 a 3 R.P.M, dentro del mismo se
encuentra la masa acumuladora, la cual está compuesta por
una serie de cestas, cada una de estas cestas están
compuestas una serie de láminas que son el medio para la
generación de los ciclos continuos de intercambio de calor
basados en el principio de contracorriente, es decir, que los
gases de combustión calientes que viene del proceso de
combustión entran por un lado del rotor, mientras que por
el otro entra aire, como resultado estos fluidos intercambian
calor por medio del equipo a medida que el rotor va
girando.

Descripción del funcionamiento del
precalentador de aire Ljungstrom

El proceso se inicia cuando el aire del ambiente a una
temperatura de 38 °C es introducido al sistema por los
Ventiladores de Tiro Forzado (VTF) y es llevado por medio de los
ductos a los Calentadores de Aire por Condensado (CAC), los
cuales son intercambiadores de calor que utilizan la
energía calorífica del condensado del vapor
generado por la unidad, lo cual permite que el aire del ambiente
adquiera una temperatura aproximada de 80 °C, de allí
el aire pasa a los Calentadores de Aire a Vapor (CAV), los cuales
son intercambiadores de calor que utilizan la energía
calorífica del vapor generado por la caldera, lo cual
permite que el aire eleve su temperatura a unos 140 °C y
luego sea conducido a los precalentadores de aire regenerativo
Ljungström.

El giro del rotor es el que genera ciclos continuos e
interrumpidos de intercambio de calor entre los fluidos
involucrados y los metales de la masa acumuladora, puesto que los
gases de combustión que provienen de la caldera, ingresan
al Ljungstrom con una temperatura aproximada de 371°C, estos
intercambian calor con las cestas de la masa acumuladora que se
encuentran en su trayectoria de salida y fueron enfriadas al
entrar en contacto con el aire, mientras que por el otro ducto
ingresa aire proveniente del equipo CAV que igualmente
intercambia calor con las cestas que se interponen en su
trayectoria y fueron calentadas por los gases de
combustión. Los ciclos continuos de intercambio de calor
disminuyen la temperatura de los gases de combustión a
140°C en la figura 3, mientras que el aire incrementa su
temperatura hasta alcanzar 327°C, permitiendo de esta manera
el ahorro de combustible del 18% [1; 27].

Figura 3- Proceso de precalentamiento de
aire para el sistema de combustión de las calderas de
Planta Centro.

Inconvenientes de
los precalentadores de aire Ljungstrom

En la industria eléctrica existen problemas
operacionales y de mantenimiento que en los precalentadores de
aire Ljungstrom no escapan a ellos y por su funcionamiento los
humos provenientes de la caldera contienen partículas
hollín y cenizas que se adhieren en las canastas
obstruyendo el flujo de aire por ensuciamiento. Esto se puede
presentar en el lado caliente del precalentador, pero lo
más normal es que se desarrolle en el lado frío, en
donde las partículas de ceniza en polvo se adhieren a la
superficie calefactora o masa acumuladoras con más
facilidad, por estar humedecida con ácido. La
obstrucción incrementa la caída de presión
en el calentador, y puede provocar una limitación de la
carga en la unidad generadora de vapor, haciéndola
funcionar a una carga menor que la nominal cuando los
ventiladores alcanzan su máxima capacidad.

Este taponamiento también genera corrosión
en el lado frío de los elementos calefactores. En una
caldera, parte del SO2 producido se convierte en SO3 y
éste se combina con la humedad para formar vapor de SO4H2;
este vapor condensa en las superficies que tengan temperaturas
inferiores a la del punto de rocío, entre 120 ºC a
150ºC; la temperatura del metal, en el lado frío del
precalentador, es de 93ºC, por lo que existe riesgo de
corrosión[6], la erosión de la laminas calefactoras
se produce a causa del impacto de las partículas de ceniza
en polvo que arrastran los humos a alta velocidad. La
erosión se presenta en zonas próximas a la entrada
de humos, que es donde las velocidades resultan.

la limpieza de la canasta de precalentador de aire, ha
sido problema importante ya que el proceso de limpieza tarda
aproximadamente de 25 a 50 horas [18] y es una causa
significativa de tiempo de inactividad de la industria
eléctrica lo que incrementa los costos. Los métodos
de limpieza incluyen el uso de mangueras de incendio y la
presión de aire para eliminar las cenizas volantes de las
canastas, pero estos métodos sólo han tenido un
éxito parcial. Por otra parte, la sustitución de
las canastas ha sido otra solución al problema de la baja
eficiencia causada por una canasta de precalentador de aire
obstruido, sin embargo esto es muy costoso en términos de
tiempo de inactividad y los gastos [2].

Impurezas del
combustible

El azufre constituye la impureza más perjudicial
contenida en el combustible, pues provoca una intensa
corrosión de las superficies de baja temperatura, dada por
la presencia en los gases de la combustión de SO2 (y tal
vez algo de SO3 si las condiciones son favorables para su
formación) lo que acarrea la formación de
ácido sulfúrico que ataca el metal de las
superficies de transferencia de calor.

Existen algunos tipos de aceites combustibles pesados:
el más generalizado es el Mazut-40 que procede de Rusia y
el Bunker-C de Antillas Neerlandesas. Los resultados son
alentadores pero se crean serios problemas de corrosión.
El contenido de azufre es una propiedad de suma importancia, pues
decide las propiedades corrosivas de los gases producto de la
combustión; para el aceite combustible pesado el contenido
de azufre oscila en el rango:

S = 0,5 – 6 %

Procesos de limpiezas

Dentro de los métodos utilizados para la limpieza
de los intercambiadores de calor regenerativo esta los comunes
que se realizan [4] incluyendo el uso de mangueras de incendio y
la presión de aire para eliminar las cenizas volantes de
las canastas, pero estos métodos sólo han tenido un
éxito parcial. Por otra parte, en sustitución de
las canastas ha sido otra solución al problema de la baja
eficiencia causada por una canasta de precalentador de aire
obstruido, sin embargo esto es muy costoso en términos de
tiempo de inactividad y los gastos. Y otro [5] método de
limpieza depende de corte fluido por sí sola es poco
probable ser capaz de eliminar el depósito endurecido o
bien la acción mecánica se requiere o la
exposición a agentes químicos para convertirlo a
una forma más suave extraíble, fácilmente
soluble en agua o más. Los estudios de limpieza demuestran
que las combinaciones de productos químicos y limpieza
mecánica pueden ser mejores que la limpieza
mecánica sólo para ciertas combinaciones de
parámetros. Aunque este trabajo de investigación no
específica que tipo de productos químicos utiliza
como los medios mecánicos para esta función. La
siguiente investigación propone que las paradas de plantas
pueden ser evitadas [6]si la limpieza de los intercambiadores de
calor se aplica. Los siguientes problemas de limpieza en
línea de intercambiador de calor, podrían
considerarse:

• Programación de las intervenciones de
limpieza en los intercambiadores de calor de forma
continúa.• Diagnóstico de la formación
de depósitos en los intercambiadores. Este artículo
trata sobre la programación de las intervenciones de
limpieza. Al principio, el modelo matemático de la
influencia de las incrustaciones en intercambiadores de calor y
la operación se describe e ilustra por un ejemplo de su
aplicación.

Estos métodos aunque son predictivos no brindan
una solución eficaz al objetivo principal que es la
limpieza automatizada de estos intercambiadores de calor, claro
está, da un aporte sobre los métodos de trabajo e
inspección parte fundamental para evitar paradas
innecesarias. [2] Una herramienta de limpieza en donde un
operador simplemente entra en los parámetros de la
operación de limpieza y el ordenador calcula la
información requerida sobre la base de los
parámetros y controla automáticamente la
operación de limpieza e incluye el uso de control
lógico programable (PLC) para mover una boquilla de alta
presión de agua a lo largo de una barra que extiende
radialmente desde el centro del rotor como se muestra en la
fig.4.

Fig.4 Limpieza de precalentadores de
aire

[3] Para limpiar automáticamente un precalentador
de aire utilizando el poder totalmente neumático y
lógica de control. El sistema de control de velocidad
variable permite que la velocidad de los chorros de agua de
limpieza, con respecto a la superficie a limpiar, a ser constante
independientemente de la posición de los chorros de agua a
lo largo del radio de la canasta o el conducto de aire de
entrada. Este sistema de limpieza aunque posee un sistema de
control de velocidad y posición no indica que tipo de
control utiliza para la automatización.[7] Se refiere a
los limpiadores de brazo móvil de precalentadores de aire
regenerativos rotativos adaptados para suministrar diferentes
medios de limpieza a diversas presiones a la unidad de la
boquilla en el extremo del brazo específicamente incluida
el agua de alta presión. Más concretamente, la
unidad de la boquilla está dispuesta para la descarga por
separado de los diferentes medios de limpieza y en particular
para descargar el agua a alta presión a través de
una pluralidad de boquillas de alta presión.

Estas técnicas de limpieza son ampliamente
utilizadas en la industria del mantenimiento en plantas
eléctricas y poseen un período de limpieza mensual
o trimestral según la programación del mismo. Sobre
la automatización creo que es recomendable un sistema
SCADA es un sistema basado en computadores que permite supervisar
y controlar a distancia una instalación de cualquier tipo.
A diferencia de los Sistemas de control Distribuido, el lazo de
control es generalmente cerrado por el operador. Los Sistemas de
control distribuido se caracterizan por realizar las acciones de
control en forma automática. Hoy en día es
fácil hallar un sistema SCADA realizando labores de
control automático en cualquiera de sus niveles, aunque su
labor principal sea de supervisión y control por parte del
operador. Lo cual permite un control de estos intercambiadores en
tiempo real y evitar paradas de plantas y mantener una eficiencia
optima del mismo.

Método de
limpieza de los precalentadores de aire
Ljungstrom

Los procedimientos de limpieza para este tipo de
intercambiador de calor regenerativo se realizan con dispositivos
mecánicos automatizados empleados con controladores de
velocidad reguladores de fluidos para lo cual emplean boquillas
de inyección de flujo y que pueden utilizar agua a alta
presión, vapor saturado o aire comprimido en [2; 6; 13;
14; 18; 37] estos artículos no especifican el periodo de
limpieza, ni el caudal que manejan las boquillas solo indican el
tiempo total de limpieza que es de 48 a 72 horas según el
grado de suciedad de las canastas. Las empresa de servicio
industrial dedicas a esta asistencia a la industria
eléctricas dan el periodo de limpieza que puede ser de 24
a 72 horas según la suciedad de las canastas, emplean
dispositivos mecánicos automatizados con boquillas de
pulverizadoras cuyo número va de 2 a 4 boquillas
mayormente utilizan agua con solvente para la limpieza y caudales
grandes de agua que va 200 a 600 GPM, estas aplicaciones se
utilizan en plantas termoeléctricas con la caldera utiliza
combustible fósiles o gas natural[3; 4; 8; 9; 11; 16; 20;
21; 24; 26; 28]. Otra aplicación es la utilización
de nitrógeno líquido para la limpieza de canasta
utilizando equipos de alta presión el primer inconveniente
son las bombonas de nitrógeno que hay que emplear y costo
de este producto y el segundo es el tiempo de aplicación
se realiza manual lo que incrementa considerablemente el tiempo
para la limpieza[19]. El mejor procedimiento para la limpieza es
realizarla con dispositivos automatizados del alta presión
con agua o vapor con valores de presión entre de 250 a 500
bar con controles de supervisión como medir la presiones
de operación, temperatura instalados sobre el
precalentador de aire Ljungström de manera que indiquen
cuando debe iniciarse la limpieza y como un medidor de pH que
indica cuando debe detenerse esta, elaborar un plan de
mantenimiento preventivo de limpieza con periodos de cada
trimestral de manera tener una producción limpia como se
establece en [23], con ello se garantiza una mayor vida
útil de la canastas una buena efectividad térmica
con un buen rendimiento global de la planta con este se genera un
ahorro de combustible y al eliminar su impacto contribuye a la
conservación del medio ambiente.

Ventajas de los
precalentadores

La eficiencia de la combustión se eleva con la
utilización de aire caliente.

La combustión a bajas cargas se ve favorecida y
se estabiliza producto de una mejor ignición.

Se logra el uso de cargas térmicas mayores en el
horno, producto de la aceleración de la combustión;
esto permite la disminución del volumen del horno y de
hecho calderas más compactas y más
económicas.

Se mejora la transferencia de calor en el horno producto
del incremento de la temperatura que favorece la
radiación.

La eficiencia general de una caldera se incrementa dada
la disminución de las pérdidas de calor con los
gases y el mejoramiento de la combustión.

El aire caliente ayuda al secado de los combustibles de
alta humedad. En relación con los economizadores, reclaman
tubos de menor espesor por estar sometidos a presiones casi
atmosféricas.

Resultados y
discusión

Dentro del estudio bibliográfico que se lleva
hasta los actuales momentos existen diversos estudios de modelos
matemáticos que dan una predicción casi exacta de
cómo mejorar la eficiencia de un precalentador de aire
regenerativo, lo que no indica de forma precisa es como realizar
una limpieza eficiente del mismo, ya que este tipo de
investigación se lleva más a la parte comercial que
científica, dentro de los resultados obtenidos en este
artículo, se encuentra que los métodos de limpieza
empleados de forma mecánica utilizan boquillas de alta
presión con agua o vapor y con un sistema de control
lógico, de estos textos revisados controlan
parámetros en la relación hombre máquina de
manera de hacer más efectivo el trabajo de limpieza. Para
un gran avance en esta materia seria la implementación de
sistema scada o inteligencia artificial para lograr un proceso
optimo.

Conclusiones

Los métodos de limpieza para lo precalentadores
de aire se han venido desarrollando cada vez más en la
industria eléctrica cuyo motivo es mantener la
operatividad de la planta y por la gran demanda existente de la
energía eléctrica que hay a nivel nacional por el
crecimiento de la población. Por tanto es necesario una
producción eléctrica continua mayormente, por tal
demanda todos los equipos de instalados en la planta deben
trabajar eficientemente en conjunto con los intercambiadores de
aire regenerativo. Aunque existen diversos métodos de
limpieza de forma automatizada los cuales normalmente no utilizan
un monitoreo continuo por lo cual caemos en el mismo problema, y
cambiar la canastilla resulta más costoso, por lo cual
debe realizarse una limpieza continua de manera de realizar una
producción más limpia y mantener una
producción eléctrica eficiente.

El inconveniente que es la suciedad de las canastas
debido al cúmulo de partículas que terminan por
obstruirla y por esto se genera una caída de la
transferencia de calor en esta unidad y pérdidas de
generación eléctrica.

El precalentador de aire Ljungstrom en su proceso
operacional es donde se realiza el aprovechamiento
energético dentro de una planta termoeléctrica, ya
que genera una ganancia que es proporcional entre eficiencia de
la unidad generadora de vapor y ahorro de combustible.

Los procesos con dispositivos automatizados son los
más efectivos para la limpieza del precalentador de aire
Ljungstrom y se hacen en un tiempo optimo.

Estableciendo un plan de manteniendo preventivo para el
precalentador de aire Ljungstrom y se tendría un buen
funcionamiento con un aumento de la vida útil de las
canastas calefactoras, en un mejor aprovechamiento de la
unidad.

Al mantener una buena efectividad térmica de
operación en el precalentador de aire Ljungström se
disminuye el impacto ambiental, logrando así una
conservación del medio ambiente.

Referencias

• [1] Wu, Z., R.V.N. Melnik, and F.
  Borup, Análisis basados ??en modelos y
  simulación de wheelÇ calor regenerativos.
  Energy and Buildings, 2006. 38(5): p.
  502-514.

• [2] Ginn, C.C.H., TX)
  Precalentador de aire método de limpieza.
  1994 Butterworth Jetting Systems, Inc. (Houston,
  TX)

• [3] Allen, J.T.D., OK), Pitts,
  Alan J. (Comanche, OK), Roberts, Don M. (Coppell, TX),
  Cogbill, Randall B. (Ft. Smith, AR) Precalentador de aire
  de chorro de agua aparatos de limpieza (Air preheater
  wáter jet cleaning apparatus).

• [4]  Nguyen, T.Q., J.D.
  Slawnwhite, and K.G. Boulama, Generación de
  energía del calor residual industrial. Energy
  Conversion and Management, 2010. 51(11): p.
  2220-2229

• [5] Pogiatzis, T., et al., La
  identificación de los ciclos de limpieza óptimo
  para intercambiadores de calor sujetos a la suciedad y el
  envejecimiento. Applied Energy, 2011. In Press,
  Corrected Proof

• [6] Markowski, M. and K. Urbaniec,
  Óptimo programa de limpieza para intercambiadores
  de calor en una red de intercambiadores de calor.
  Applied Thermal Engineering, 2005. 25(7): p.
  1019-1032.

• [7] Fierle, K.M.W., NY), Sorochin,
  Adam C. (Wellsville, NY) Precalentador de aire
  regenerativo más limpio. 2000, ABB Air Preheater,
  Inc. (Wellsville, NY)

• [8] Hugh C. Atchison; Bobby G.
  Simmons, Alta energía de lavado de precalentador
  de aire Ljungstrom. 1981, The Dow Chemical Company
  Middland, Mich.

Autor:

Víctor
Rodríguez