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Universidad Tecnológica de Tula – Tepeji Organismo Descentralizado de la Administración Pública del Estado de Hidalgo Análisis para la identificación de las causas que provocan las fallas potenciales en el calentador de alta presión. Proyecto profesional que para obtener el título de: Ingeniería en Mantenimiento Industrial Presenta: Sergio Manuel Mejía López Abril, 2013
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Universidad Tecnológica de Tula – Tepeji
Organismo Descentralizado de la Administración Pública del Estado de Hidalgo
Análisis para la identificación de las causas que provocan
las fallas potenciales en el calentador de alta presión.
Proyecto profesional que para obtener el título de:
Ingeniería en Mantenimiento Industrial
Presenta:
Sergio Manuel Mejía López
Abril, 2013
Universidad Tecnológica de Tula – Tepeji
Organismo Descentralizado de la Administración Pública del Estado de Hidalgo
Análisis para la identificación de las causas que provocan las fallas potenciales en el calentador de alta presión.
Proyecto profesional que para obtener el título de:
Ingeniería en Mantenimiento Industrial
Presenta:
Sergio Manuel Mejía López
Asesor Académico
Asesor Industrial
Ing. Gilberto Mancilla Camacho
Ing. Hugo Lenin Díaz Montaño
Índice
Agradecimientos
Resumen
Summary
Introducción
Antecedentes
Capítulo I: Marco teórico 1
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.5.1
1.2.6
1.3
1.3.1
1.3.2
Sistema de agua de circulación
Torre de enfriamiento
Bombas de agua de circulación
Agua de repuesto
Sistema de condensado
Tanque de repuesto de condensado
Condensador principal
Bombas de condensado
Calentadores de baja presión
Deareador y tanque de oscilación
Descripción funcional
Tanque de oscilación del deareador
Sistema de agua de alimentación
Calentadores de alta presión 6 y 7
Características de los calentadores
1
1
2
2
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14
15
Capítulo II: Supuestos técnicos 17
Capítulo III: Propuesta de solución al planteamiento del problema 20
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.3
3.4
3.5
3.5.1
3.5.1.1
3.5.1.2
3.5.1.3
3.5.2
3.5.2.1
Sistema de agua de alimentación
Descripción del sistema de agua de alimentación
Tanque de alimentación del desgasificador
Bombas de agua de alimentación
Cuadro de regulación de flujo de agua de alimentación
Variables que intervienen en el sistema
Análisis de datos históricos
Cálculo de la eficiencia del calentador de alta presión
Cálculo de entalpias
Vapor de extracción
Agua de entrada
Agua de salida
Memoria de cálculo
Funcionamiento ideal
Agua dentro de los tubos
21
23
23
23
25
27
29
37
38
39
41
43
45
45
45
3.5.2.2
3.5.2.3
3.5.2.4
3.5.2.5
3.5.2.6
3.5.2.7
3.5.3
3.5.3.1
3.5.3.2
3.5.3.3
3.5.3.4
Balance de masas
Balance de energías (Energía absorbida)
Balance de masas
Balance de energías (Vapor disipado)
Balance de energías (Energía pérdida)
Funcionamiento real
Agua dentro de los tubos
Balance de masas
Balance de energías (Energía absorbida)
Balance de energías (Energía disipada)
46
46
46
47
47
48
48
49
49
49
Capítulo IV: Evaluación, Análisis de resultados, producto y/o
impacto
51
4.1 Análisis costo – beneficio 51
Capítulo V: Conclusiones y recomendaciones 56
Anexos 59
- Propiedades termodinámicas del agua saturada. Tabla de
Presión
- Propiedades termodinámicas del agua saturada. Tabla de
Temperatura
- Calentador de Alta Presión
- Sistema de Agua de alimentación
- Diagrama de balance térmico
- Tabla de abreviaturas
59
61
63
63
64
65
Glosario 66
Bibliografía y fuentes de información 68
Índice de material gráfico 69
Dedicatoria
Este proyecto quiero dedicarlo principalmente a mis padres por su apoyo incondicional en los
momentos difíciles de este largo camino que emprendí para llegar hasta este instante, por el
amor y cariño que me brindaron, por sus consejos y el tiempo que dedicaron a mi persona, por
las correcciones que me hicieron en todo este tiempo, por haber hecho realidad mi sueño de
tener una carrera profesional y por todo lo que harán por mí, Gracias.
A mis amigos por su amistad y momentos de alegría que compartimos juntos, por compartir los
momentos difíciles que pasé a lo largo de la carrera y que juntos superamos, por los consejos y
apoyo moral brindado todo el tiempo, Gracias.
A mis profesores por todos los conocimientos técnicos y experiencias compartidas que me
ayudaran a formarme como ingeniero.
Resumen
El calentador de alta presión es un intercambiador de calor vapor-agua, horizontal de tubos
curvos de 2 pasos y tres zonas: sobrecalentamiento, condensación y sub-enfriamiento de
drenajes; en los cuales el agua de alimentación circula por el interior de los tubos y el vapor por
el exterior. Su finalidad, es incrementar la temperatura del agua de alimentación, para mejorar la
eficiencia del ciclo, aprovechando el calor de vapor de las extracciones que se le hacen a la
turbina, debido a esto el equipo es considerado como uno de los más críticos en el sistema de
agua de alimentación.
Es por ello que la identificación de las causas que provocan las fallas en el calentador es de
vital importancia para la empresa, atendiendo a esta problemática, en el presente proyecto se
muestra la metodología sugerida para dar solución a lo planteado anteriormente.
En este se desglosa un análisis de los datos históricos generados en el año 2012, ya que a
partir de este periodo es cuando el calentador comenzó a sufrir fallas constantes, por lo que se
llevó a cabo la recopilación de históricos que nos permiten saber la cantidad de tubos
clausurados en el equipo, así como realizar una diagnóstico de acuerdo a lo recomendado por
el fabricante. También se anexa el cálculo de la eficiencia del calentador, el cual posteriormente
es comparado con los datos de operación ideal del calentador, dándonos como resultado la
existencia de una carga térmica superior a la ideal en el interior del calentador.
Así también se integra una evaluación de resultados en la que se anexa el cálculo del costo-
beneficio, donde se hace saber cuál es la factibilidad de este proyecto, al igual que los costos
que se generan por la salida de operación del equipo y el costo que se generaría para CFE si
se decide realizar la sustitución del equipo.
Finalmente se redactan las recomendaciones y conclusiones generadas a partir de lo obtenido
en el capítulo 3 del proyecto, las cuales deberán ser consideradas por la empresa para así
poder asegurar el funcionamiento confiable del equipo.
Summary
The high-pressure heater is a heat exchanger of steam and water, it’s a horizontal curved tubes
of 2 steps and three zones: overheating, condensation and sub-cooling of drains, in which the
feed water flows inside the tubes and steam on the outside. Its purpose is to increase the
temperature of the feed water to improve efficiency of the cycle, steam uses the heat of
extractions that are made to the turbine, because this equipment is regarded as one of the most
critical in the feed water system.
That is why identifying the causes of failures in the heater is of vital importance to the company,
in response to this problem; this project shows the suggested methodology to solve the issues
raised above.
This analysis breaks down the historical data generated in 2012. From this period is when the
heater began to suffer constant failure, so historical data was collected, which let us know the
amount of closed tubes in the team and make a diagnosis as recommended by the
manufacturer. A calculus of heater efficiency is also attached, which is then compared with the
data of an ideal operation of the heater, giving as a result the existence of a higher thermal load
than the ideal one inside the heater.
It also integrates an outcome evaluation including the cost-benefit calculation, which is done to
know the feasibility of this project, as well as the costs generated by the operation of the
computer output and the cost that would be generated for CFE if the equipment is replaced.
Finally, conclusions are drawn and recommendations generated from which was obtained in
Chapter 3 of the project, this will be considered by the company in order to ensure reliable
operation of the equipment
Introducción.
En el presente proyecto se estudiará a fondo uno de los grandes problemas que se tienen en la
Central Termoeléctrica.
De manera general el problema que la central enfrenta es el fallo recurrente en el Calentador de
Alta presión de la unidad de generación No. 2, el cual tiene comofinalidad al igual que la de los
calentadores de baja presión incrementar la temperatura del agua de alimentación para mejorar
la eficiencia del ciclo, aprovechando el calor del vapor de las extracciones de la turbina No. 6 y
7.
El primer capítulo aborda los conceptos básicos para que el lector pueda familiarizarse con el
tema expuesto y sea posible una total comprensión de los conceptos que se plantean, en este
se da una idea general del sistema agua de alimentación del cual forma parte el equipo que
será parte de esta investigación.
El segundo capítulo plantea los supuestos técnicos, los cuales son soluciones tentativas al
proyecto. En este se describen las posibles acciones a realizar que en el desarrollo del proyecto
se tomaran en cuenta para así poder dar solución a la problemática planteada.
El tercer capítulo es en el que se plantea la propuesta de solución al planteamiento del
problema, este capítulo del proyecto describe las actividades que se realizaron para llevar a
cobo el análisis de históricos, así como los cálculos necesarios para determinar la eficiencia del
calentador, en este se explica a fondo el ¿Cómo? y ¿Por qué? de cada uno de los cálculos,
análisis y propuestas, teniendo como base una investigación previa para sustentar dichas
propuestas.
El cuarto capítulo titulado evaluación, análisis de resultados, producto y/o impacto, se
desglosan los beneficios que se tendrán con la aplicación del proyecto, así como lo más
importante para una empresa: la disminución de costos en la Central Termoeléctrica. En este se
muestra el cálculo de los costos que se generan por mantenimiento al equipo. Al igual se
presenta un comparativo entre el costo generado por la instalación de un calentador nuevo y el
costo que genera el disparo del equipo en cuestión.
Finalmente se mencionan las conclusiones a partir de los resultados generados en el desarrollo
del proyecto, así como, las recomendaciones que deberán ser consideradas por la empresa
para poder llevar a cabo el seguimiento del presente proyecto y disminuir la probabilidad de
falla del equipo.
Antecedentes
Planteamiento del problema Derivado de los eventos que han sucedido referentes al calentador de alta presión de la unidad
No. 2 de la C. T. Francisco Pérez Ríos, se ha identificado un área de oportunidad, ya que esto
ha generado una gran problemática ocasionando una reducción de la eficiencia del sistema, así
como pérdida económica para la empresa.
Estos eventos recientemente identificados como fugas de agua en el interior del calentador,
provocadas por fracturas de los tubos que forman parte de este equipo, las cuales se cree son
generadas por altos ciclos de fatiga según reportes proporcionados por la compañía CIMEX,
encargada de elaborar las notas informativas sobre el mantenimiento realizado a los equipos de
las diferentes unidades de generación de electricidad.
Lo anterior mencionado significa que en realidad el sistema de generación de electricidad se ve
afectado por completo, ya que el calentador es un equipo crítico dentro de este sistema, debido
a que este tiene como finalidad incrementar la temperatura y presión del agua de alimentación
para mejorar la eficiencia del ciclo, aprovechando el calor del vapor extraído de la turbina.
Al fallar este equipo provoca que las propiedades del agua requeridas por el sistema del
generador de vapor se vean modificadas, disminuyendo así la eficiencia global de la unidad en
un 30% aproximadamente según registros proporcionados por el departamento de Análisis y
Resultados, lo cual consecuentemente genera una gran pérdida económica.
Justificación El origen del presente proyecto de investigación se generó debido a la necesidad de identificar
las causas que han llevado recientemente a falla al calentador de alta presión y por lo tanto ha
ocasionado que la eficiencia global del sistema de generación de electricidad se vea afectado,
lo cual consecuentemente repercute a la economía de la empresa. Por lo anteriormente
expuesto se considera muy importante dar solución a la problemática actualmente presente, ya
que al identificar las causas que provocan dichas fallas en el equipo, ayudara a generar
documentación que posteriormente servirá como históricos para mantenimientos futuros a este
equipo.
Lo cual será un gran beneficio ya que los registros actualmente disponibles de este equipo son
insuficientes para poder dar un diagnóstico aceptable sobre el estado actual del equipo.
Cabe destacar que al tratarse de un equipo crítico dentro del sistema, el solo hecho de que este
salga de operación provoca la disminución de la eficiencia del sistema en un 30%
aproximadamente, lo que representa pérdidas económicas de $3, 000, 000.00 por día de
mantenimiento realizado, dar solución a esta problemática es justificable desde el punto de vista
económico.
0
Objetivo general Identificar las causas que provocan las fallas en el calentador de alta presión No. 6 para
poder garantizar el funcionamiento confiable del equipo y lograr el incremento de la eficiencia
del sistema de agua de alimentación de la Unidad No. 2.
Objetivos específicos
Realizar el análisis de los datos históricos del calentador para dar un diagnóstico del
estado actual del equipo.
Realizar los cálculos para determinar la eficiencia del calentador en base a datos
técnicos y reales tomados en campo.
Generar documentación que sirva como históricos para mantenimientos futuros.
1
Capítulo I: Marco teórico
1.1 Sistema de Agua de Circulación.
El sistema de agua de circulación tiene como función principal sustraer calor latente al vapor
(Sistema de agua de circulación, 2009), que ya trabajo en la turbina y que es descargado al
condensador, para que se condense a temperatura constante. Además este sistema también
suministra el agua para refrigerar el equipo auxiliar de la unidad, como son: enfriadores de
aceite, enfriadores de hidrógeno del generador, enfriadores de aire del excitador, y otros.
El sistema de agua de circulación es un circuito cerrado y consta de:
1.1.1Torre de enfriamiento
Es una estructura de madera que tiene la función de transferir el calor que el agua de
circulación tomo al pasar por el condensador, al ponerla en contacto con el aire del medio
ambiente y pasárselo a este último.
Cuenta con 11 ventiladores de tiro inducido (T.E. 1 y 2), 8 ventiladores (T.E. 3 y 4) y 10
ventiladores T.E. 5, con sus respectivos conos de descarga, localizados en la parte superior;
charolas de distribución de agua, cabezales de descarga de agua caliente en la parte
superior de la torre, cada uno de los cuales cuenta con válvulas de compuerta. El agua
enfriada es recuperada en una pileta, la cual tiene 5 drenes y 2 derrames.
La torre está compuesta por celdas individuales, cada una de las cuales es conformada por 1
ventilador de tiro inducido, 2 charolas de distribución, 2 válvulas de descarga de agua
caliente y su relleno interior (Fig.1).
Fig. 1 Torre de enfriamiento.
2
El proceso de intercambio de calor en la torre de enfriamiento consiste en una trasmisión de
calor del agua al aire.
Los ventiladores extraen el aire húmedo del interior de la torre, introduciendo al mismo
tiempo aire del medio ambiente con un menor contenido de humedad estableciendo un flujo
que entra en contacto con el agua que desciende. Por esto se dice que la torre es de tiro
inducido y a flujos cruzados.
Los ventiladores se encuentran instalados en la parte superior de la torre, para su
movimiento cada uno de ellos cuenta con un motor de inducción; el motor mueve al
ventilador a través de un mecanismo reductor a base de engranes, el cual reduce la
velocidad del motor.
El agua ya enfriada cae a la pileta de la torre donde se deposita, siendo conducida hacia los
cárcamos de succión de las bombas de agua de circulación. La pileta cuenta con 5 drenes,
repartidos a todo lo largo, los cuales sirven para extraer del fondo de esta los lodos que se
forman y otros sedimentos que se depositan en el fondo.
1.1.2 Bombas de agua de circulación
En el cárcamo de bombeo es donde se localizan las bombas de agua de circulación. Se
tienen 2 bombas de Agua de Circulación, cada una para el 50% de carga de la unidad. Estas
succionan agua del carcomo y su descarga se dirige hacia el condensador, haciéndola pasar
a través de él y descargando el agua en la parte superior de la torre.
1.1.3 Agua de repuesto.
Como ya se explicó, el agua al enfriarse sufre en parte una evaporación, la cual representa
una fuerte pérdida de agua hacia la atmósfera (Fig. 1.1). También se tienen las siguientes
pérdidas de agua, en orden de importancia:
Purga continua.
Extracciones de fondo por medio de drenes.
Venteo de equipo auxiliar.
Todas estas pérdidas es necesario compensarlas con agua de repuesto, por lo tanto:
Agua de repuesto = Evaporación + purgas + drenes + venteos.
3
El agua de repuesto puede ser suministrada por cualquiera de las fuentes siguientes:
Planta de tratamiento de aguas negras.
Pozos profundos de la Central.
Pozos profundos de la Refinería de PEMEX.
La fuente principal de suministro de agua de repuesto es de aguas negras a través de una
planta de tratamiento que se tiene. En caso de no contar con dicha fuente, se recurrirá al
suministro de agua cruda proporcionada por los pozos de la central y, solo en casos de
emergencia, se utiliza como recurso el agua de PEMEX. (Sistema de agua de circulación,
instructivo de familiarización, 2009).
Fig. 1.1 Agua de repuesto.
4
1.2 Sistema de Condensado.
Las funciones principales de este sistema son extraer el agua de condensado del pozo
caliente para enviarlo a través de la bomba de condensado al deareador, suministrar agua
de repuesto al ciclo o enviar los excedentes de agua de condensado al tanque de
almacenamiento de condensado para mantener el nivel normal de agua en el pozo caliente
del condensador principal (Fig. 1.2).
Entre las funciones auxiliares del sistema de condensado se pueden contar las siguientes:
- Suministro de agua de condensado para sellos, atemperaciones y llenado inicial a
diferentes equipos o sistemas del ciclo,
- Regeneración parcial del ciclo de vapor, al calentarse el agua de condensado en los
diferentes intercambiadores de calor, con que se encuentra en su trayectoria al
deareador. (Sistema de condensado, instructivo de familiarización, 2009)
Fig. 1.2 Sistema de condensado
5
1.2.1 Tanque de repuesto de Condensado.
Es un tanque cilíndrico vertical, con un volumen total de 887m3 cuenta con venteo, derrame,
dren, indicador de nivel y alarma de nivel bajo (Fig. 1.3). (Sistema de condensado, 2009,
pág. 12)
Este tanque recibe agua del tanque de almacenamiento de agua desmineralizada o en su
defecto de la planta desmineralizadora, para recuperar y mantener su nivel normal. También
recite el excedente de agua del condensador cuando se tiene alto nivel en el pozo caliente.
El tanque de repuesto de condensado suministra el agua de repuesto al ciclo, para mantener
nivel normal en el pozo caliente el cual es el equivalente a todas las pérdidas del ciclo
agua/vapor.
Cabe aclarar que la línea de repuesto del tanque de condensado al pozo caliente sirve no
solamente para suministrar agua de repuesto al condensador, sino también para recibir el
excedente de agua del nivel del pozo caliente.
TANQUE DE CONDENSADO
AGUA DE TANQUE DE AGUA
DESMINERALIZADA Y PDM
AGUA
PDMPOZO
CALIENTE
TANQUE DE CONDENSADO
PI
LG
Fig. 1.3 Tanque de Condensado.
6
1.2.2 Condensador Principal.
El condensador principal se encuentra directamente debajo de la turbina de baja presión,
unido herméticamente a ella por una junta de expansión y apoyado en la parte inferior con
soportes rígidos (Fig. 1.4). La junta de expansión sirve para compensar o absorber las
dilataciones y contracciones térmicas de la turbina y del condensador.
Fig. 1.4 Condensador.
El condensador principal es un intercambiador de calor tipo superficie. Por el interior de los
tubos pasa el agua de enfriamiento (agua de circulación) y por el exterior de los tubos el
vapor de escape de la turbina de baja presión, con una superficie activa de transferencia de
calor de 12,077m2. En el cuerpo del condensador se tienen dos tomas de gases
incondensables, una a cada lado.
En la parte inferior del cuerpo del condensador se tiene una área de recepción y
acumulación de condensado, a la que se le llama pozo caliente, de donde succionan las
bombas de condensado.Las funciones principales del condensador son: formar el vacío con
la condensación del vapor de escape de la turbina de baja presión y con la evacuación del
aire y de los gases incondensables; además, acumular el condensador en el pozo caliente.
Las ventajas más relevantes de los condensadores de superficie son:
Recuperación del condensado para utilizarlo como agua de alimentación en el
generador de vapor.
Disminución de la presión de escape de la turbina para aumentar la energía
utilizable.
Evacuación del mayor porcentaje de aire y gases incondensables, aproximadamente
en 89% del total.
7
El condensador recibe principalmente el condensado del vapor de la turbina y de diferentes
sistemas de drenes y de derrames, de los cuales a continuación se mencionan los más
importantes:
Drenes normales y de emergencia de los calentadores de alta y baja presión.
Drenes de las líneas principales de vapor (sobrecalentado, recalentado frío y
caliente).
Drenes de turbina (del bloque de orificios, del paso curtís y de la carcasa).
Cabezal de drenes misceláneos.
Derrames del tanque de oscilación.
Recirculación de flujo mínimo de las bombas de condensado.
Venteo del primer paso de bombas de condensado.
El condensador cuenta con un sistema de control de nivel del pozo caliente que le permite
mantener el nivel normal bajo cualquier condición de operación.
La válvula de retorno de condensado responde a una señal de alto nivel, abriendo para
retornar al tanque de repuesto de condensado el excedente de agua del pozo caliente
aprovechando la presión de descarga de la bomba de condensado.
Las válvulas de repuesto de condensado abren de acuerdo a la señal de bajo nivel para
suministrar agua de repuesto del tanque de condensado al pozo caliente.
Mientras abre la válvula de repuesto de condensado, la válvula de retorno de condensado
permanece cerrada y viceversa. Cabe hacer notar, que el flujo de agua de repuesto de
condensado, fluye por gravedad aprovechando la altura estadística del tanque hacia el
condensador y por la succión que ejerce el vacío del condensador en la columna de agua de
la línea del tanque.
El condensador principal cuenta con las alarmas siguientes:
Pozo caliente nivel bajo.
Pozo caliente nivel alto.
Condensador vacío bajo.
Válvula rompedora de vacío condensador sobrecarga.
8
1.2.3 Bombas de Condensado.
Las bombas de condensado son dos y se encuentran físicamente enfrente del condensador,
las cuales están unidas al mismo por una tubería de succión (Fig. 1.5).
Las bombas de condensado son centrifugas verticales, tipo barril de 5 pasos, accionadas por
motor eléctrico. Cada bomba es de 100% de capacidad, la bomba esta soportada por una
base que forma parte del barril, el motor esta soportado por el cabezal de descarga y esta
acoplado con la bomba por medio de un cople rígido ajustable.
Fig. 1.5 Bomba de Condensado.
El ínter condensador es un calentador de agua tipo superficie de 3 pasos lado agua. Por el
interior de los tubos pasa el flujo de agua de condensado y por el exterior recibe la mezcla de
vapor y gases de la descarga del eyector primario.
El postcondensador es un calentador de agua tipo superficie de 1 paso lado agua. Recibe la
mezcla de vapor con incondensables de la descarga del eyector secundario.
A fin de facilitar el trabajo de los eyectores y de reducir el mínimo las pérdidas de vapor, la
mezcla de incondensables y de vapor, deberá ser extraída a presión más elevada (se
reducirá el volumen de la mezcla y por lo tanto disminuirá el trabajo de extracción) y a más
baja temperatura para extraer el mínimo de vapor. Es por lo tanto en la parte más baja del
condensador donde deberán extraerse el aire y gases no condensables.
9
1.2.4 Calentadores de baja presión.
Los calentadores de agua de baja presión número 1 y 2 están empotrados en el
condensador principal cerca del escape de la turbina de baja presión y los número 3 y 4 se
encuentran fuera de la casa de máquinas abajo del deareador (Fig. 1.6).
Estos calentadores son intercambiadores de calor, tipo superficie (vapor/agua), con tubos
rectos el No. 1 y 2, y en forma de “U” el No. 3 y 4, de dos pasos lado agua, con zona de
condensación y de subenfriamiento.
En estos calentadores el agua de condensado circula por el interior de los tubos y el vapor
de la extracción por el exterior. Cuenta con venteos para extraer los gases, los cuales se
descargan al condensador principal. Si no se extraen estos gases, se formaran películas de
aire alrededor de los tubos disminuyendo la transmisión de calor.
Fig. 1.6 Calentadores Baja Presión 1 y 2.
10
1.2.5 Deareador y tanque de oscilación
El deareador es un intercambiador de calor tipo mezcla (el vapor hace contacto directo con el
agua) que calienta el agua de condensado a la temperatura de saturación del vapor de
calentamiento (vapor de extracción No. 5 o de auxiliares en el arranque) correspondiente a la
presión de servicio (Fig. 1.7).
El condensado que procede del calentador No. 4 entra al deareador por la parte superior,
inundando la cámara de agua de este equipo. El agua pasa por las válvulas de atomización
fluyendo hacia la parte inferior, donde se mezcla con vapor ascendente. Este vapor, que
entra al deareador por la parte inferior, se expande horizontalmente y asciende mezclándose
con el condensado descendiente; al contacto con el agua el vapor arrastra los gases no
condensables y las transporta hacia el condensador de venteos, donde el vapor es
condensado y los gases venteados a la atmósfera.
El condensado que sale del deareador se deposita en el tanque de oscilación desde donde
es succionado por las bombas de agua de alimentación.
Fig. 1.7 Deareador.
11
1.2.5.1 Descripción funcional.
La siguiente descripción está referida al diagrama de tubería e instrumentación del sistema
de condensado.
El vapor que trabajó en la turbina de baja presión se dirige a través del cono de escape a los
tubos del condensador principal para condensarse y formar así el vacío al reducirse
notablemente su volumen. Así, el vapor ya condensado cae y se acumula en el pozo
caliente. Los gases incondensables son al mismo tiempo succionados y arrojados a la
atmósfera por un banco de eyectores ayudando así a mantener un alto vacío.
El tanque de condensado, por su parte, suministrara o recibirá flujo de agua de condensado
dependiente del bajo o alto nivel que se tenga en el pozo caliente.
El agua de condensado acumulada en el pozo caliente se desfoga por una sola línea, la cual
se divide en dos para formar el cabezal de succión de cada una de las bombas de
condensado.
Cada bomba de condensado tiene un venteo que está tomado en la parte más alta del barril
de succión de la bomba, en cual descarga en el condensador. Este venteo sirve para
desalojar las bolsas de aire, que se acumulan arriba del espejo de agua.
Por esta razón la válvula de recirculación deberá ser abierta previa al arranque de la bomba
para ventear esa masa de aire en la succión.La bomba que está en reserva entrara en
automático al detectar un valor bajo de presión en la descarga de las bombas.
En la descarga de las bombas de condensado se deriva una válvula de control llamada
“retorno de condensado”, la cual abrirá cuando detecte alto nivel en el pozo caliente
retornando agua al tanque de repuesto de condensado aprovechando para esto la presión
de la descarga de la bomba. De esta manera se controla un alto nivel en el pozo caliente.
Del mismo cabezal de descarga, se deriva otra línea que suministra agua de sellos,
inundado inicial de varios equipos, dosificaciones químicas y atemperaciones a diferentes
sistemas de esta unidad.
Más adelante en este mismo cabezal se encuentra la dosificación de Hidracina (para inhibir
el oxígeno) y de amoniaco (para eliminar el CO2), en seguida el cabezal se divide en tres
líneas:
Condensador de vapor de sellos,
Banco de eyectores,
Línea de desvío.
12
Esta última línea se usa para regular el flujo de condensado cuando se quiere sacar de
servicio cualquiera de los dos equipos arriba mencionados.
A la salida de estos equipos se vuelve a unir en una sola tubería, sobre la cual se localiza la
línea con una válvula automática a la cual se le designa como recirculación mínima y sirve
para proteger de un sobrecalentamiento a la bomba de condensado, al condensador de
vapor de sellos y al banco de eyectores.
Posteriormente el flujo de condensado fluye por el interior de los tubos de los calentadores
de baja presión N°. 1, 2, 3 y 4 donde se efectúa parte del ciclo regenerativo del agua al
incrementar su temperatura. Los calentadores antes mencionados tienen su línea de desvío
para protección de la turbina. En la línea de condensado, antes del deareador, se encuentra
un medidor de flujo y el cuadro de regulación que mandara señalización al cuarto de control
así como al sistema de control del nivel del tanque de oscilación para mantener el nivel
correcto en el mismo.
1.2.6 Tanque de oscilación del deareador.
Este es un tanque dispuesto en forma horizontal el cual sirve para almacenar el agua de
alimentación (antes condensado), proveniente del deareador y se encuentra unido este a
través de dos líneas de descarga y dos líneas igualadoras de presión. También reciben las
descargas de las líneas de recirculación mínima de cada una de las bombas de agua de
alimentación después de pasar a través de su respectivo orificio de restricción.
En función de la capacidad del tanque de oscilación (105 m3 a nivel normal) y a la
disposición física respecto al piso, dicho tanque proporciona el suministro y la presión de
succión en el punto de entrada de las bombas de agua de alimentación, logrando así una
operación confiable de dicho equipo. Dispone de una línea de derrame que a través de una
válvula de control, descarga al condensador principal cuando el nivel de este tanque sube
más arriba de su valor nominal. El flujo que maneja la recirculación se envía a un lugar del
ciclo donde el calor absorbido pueda ser disipado, tal como el deareador, y está colocada en
derivación con la válvula de retención y antes de la válvula de bloqueo de la descarga de la
bomba, de tal manera que la recirculación pueda operar aun cuando la válvula de compuerta
este cerrada por equivocación o si la válvula de retención lograra atascarse.
13
1.3 Sistema de Agua de Alimentación.
El sistema de agua de alimentación se inicia en el tanque de oscilación de deareador en
donde el agua es almacenada y desciende por la acción de la gravedad hacia la succión de
las bombas de alimentación (Fig. 1.8).
El agua del deareador desciende por una sola línea y llega a un cabezal común en el cual se
tiene la derivación para la succión de cada bomba de agua de alimentación, antes de la
llegada a cada una de ellas, se tiene una válvula de bloqueo y un filtro de succión.
Las bombas de agua de alimentación tienen una presión máxima de descarga de 200 Kg
/cm2, la cual es suficiente para permitir el flujo de agua al domo en condiciones nominales de
presión de vapor. Además de la función principal de este sistema es suministrar el agua a la
caldera para su evaporación, también se tienen derivaciones para efectuar la atemperación
del vapor sobrecalentado y del vapor recalentado. La derivación que se tiene para el
suministro de agua de atemperación para el vapor sobrecalentado está tomada del cabezal
común de las descargas de las bombas antes del cuadro de regulación.
A la descarga de cada bomba se tienen válvulas de retención y de recirculación mínima y
posteriormente una válvula de bloqueo motorizada, la cual abrirá siempre y cuando ya haya
sido puesta en servicio la bomba correspondiente y se le dé señal de apertura.
Posteriormente en el cabezal de descarga, se tiene el cuadro de regulación de agua de
alimentación. En este cuadro se tiene una válvula neumática de bajas cargas llamadas
también de arranque, con sus respectivas válvulas de bloqueo y la cual regulara el flujo
hasta un 25% de descarga. Se tiene también una válvula motorizada del tipo ON – OFF, la
cual abrirá al incrementarse la carga de la unidad por arriba de 17% (señal de flujo de vapor),
y cerrara al descender la carga del 11%, también se cuenta con una válvula de desvío de
accionamiento manual.
Para el control del flujo de agua de alimentación, en bajas cargas se efectuara con la válvula
de arranque y con los variadores de velocidad de las bombas. Se utiliza únicamente la
válvula de arranque cuando la presión en el domo es menor que lo presión máxima de
descarga de las bombas (91.77 kg/cm2) con velocidad mínima en el variador, ya que si se
incrementa la velocidad de estos últimos en estas condiciones se corre el riesgo de
erosionar los asientos de la válvula de arranque. Cuando la presión en el domo tienda a
acercarse a este valor, se deben utilizar los variadores de velocidad para incrementar la
presión de descarga de las bombas para asegurar siempre un flujo hacia el domo, si lo
requiere.
14
En altas cargas el control se efectuara únicamente con los variadores de velocidad, ya que a
un 17% de flujo de vapor la válvula motorizada de altas cargas abrirá, y la de arranque
estará abierta completamente arriba del 25% de carga.
Fig. 1.8 Sistema Agua de Alimentación.
1.3.1 Calentadores de alta presión 6 y 7.
Son intercambiadores de calor vapor-agua, horizontales de tubos curvos de 2 pasos y tres
zonas (de sobrecalentamiento, condensación y sub-enfriamiento de drenajes), en los cuales
el agua de alimentación circula por el interior de los tubos y el vapor por el exterior. Su
finalidad, al igual que los calentadores de baja presión, es incrementar la temperatura del
agua de alimentación, para mejorar la eficiencia del ciclo, aprovechando el calor de vapor de
las extracciones (6 y 7) que se le hacen a la turbina (Fig. 1.9).
Un tipo de cambiador de calor(Holman, 2000) ampliamente utilizado en las industrias, es el
dispositivo de carcasa y tubos. Uno de los fluidos circula por el interior de los tubos, mientras
que al otro fluido se le obliga a circular entre la carcasa y la superficie exterior de los tubos.
Para asegurarse de que el fluido del lado de la carcasa circule transversalmente a los tubos,
ocasionando así una mayor transferencia de calor.
15
Fig. 1.9 Calentadores Alta Presión 6 y 7.
1.3.2 Características de los calentadores
En los calentadores de tipo superficie o cerrados, el vapor y el agua nunca están en
contacto. (Extracciones, drenes, y venteos, 2009)
En consecuencia, estos calentadores pueden trabajar a presiones muy diversas. Las partes
esenciales de un calentador cerrado o de superficie, consisten en una coraza envolvente en
cuyo interior se encuentran los tubos o serpentines, a través de los cuales circula el agua.
Los tubos son en forma de “U, estos calentadores en los que el agua circula por el interior de
los tubos se le conocen con el nombre de “tubos lado agua”. El agua pasa dos veces a
través de la superficie de calentamiento constituida por tubos de pequeño diámetro. Se
utilizan secciones especiales o diafragmas a fin de utilizar el grado de sobrecalentamiento en
el vapor para incrementar la temperatura de descarga del agua sobre la temperatura de
saturación correspondiente a la presión del vapor.
Estos calentadores están equipados con medios para enfriar el vapor condensado a una
temperatura inferior a la de saturación del vapor, efecto del paso de agua fría por los tubos
sumergidos en el nivel de condensado.
A fin de asegurar la transmisión adecuada de calor, es necesario vigilar la limpieza de la
superficie de los tubos, el venteo del lado vapor del calentador y la extracción de los
condensados hasta un nivel adecuado.
Si el venteo del calentador es insuficiente o si los diafragmas deflectores de aire están mal
colocados, parte de la superficie del calentador quedará ociosa. Si el vapor usado contiene
aceite, este cubrirá gradualmente las superficies de los tubos disminuyendo la transmisión de
calor.
16
De igual modo afectará la eficiencia del calentador la formación de incrustaciones u otros
depósitos en el lado agua de los tubos. La indicación más conveniente de la eficiencia de un
calentador, consiste en observar la diferencia terminal entre la temperatura del vapor
saturado y la temperatura del agua de alimentación al salir del calentador. Para condiciones
dadas de flujo, presión de vapor y temperatura de agua de alimentación de entrada, la
temperatura de salida deberá permanecer constante. Los cálculos de la eficiencia del
calentador deben hacerse tan pronto como sea posible para compararlos con la garantía del
fabricante, y también para suministrar una base en futuras comprobaciones.
17
Capítulo II: Supuestos técnicos
Este proyecto busca plasmar la metodología que se seguirá para resolver la problemática
actualmente presenta en la unidad No. 2 de la C. T. Francisco Pérez Ríos ya que
recientemente se han identificado fugas de agua en el interior del calentador de alta presión
(Fig. 2), provocadas por fracturas de los tubos que forman parte de este equipo, las cuales
se cree son generadas por altos ciclos de fatiga según reportes proporcionados por la
empresa.
Fig. 2 Fugas en el interior del calentador
Este equipo se considera crítico dentro del sistema, debido a que tiene como finalidad
incrementar la temperatura y presión del agua de alimentación para mejorar la eficiencia del
ciclo, aprovechando el calor del vapor extraído de la turbina.
Al fallar este equipo provoca que las propiedades del agua requeridas por el sistema del
generador de vapor se vean modificadas, disminuyendo la eficiencia global de la unidad en
un 10% aproximadamente, para lo cual se propone el análisis del sistema para identificar las
posibles causas que generan las fallas en el equipo.
18
Para ello se pretende realizar un análisis de los datos históricos que se han generado del
equipo en el último año de operación (Fig. 2.1), para identificar las condiciones de operación
en las que está trabajando en calentador.
Fig. 2.1 Mapeo de los tubos clausurados en el calentador
19
Debido a las condiciones físicas y de operación del calentador (Fig. 2.2), deberá considerase
la opción de reemplazar el equipo, en función de las recomendaciones hechas por el
fabricante y los resultados que arroje el análisis que se pretende realizar.
Fig. 2.2 Calentador
Se realizará un diagnóstico de la condición del equipo para descartar la existencia de
excesos de carga térmica durante su operación.
Para ello se pretende determinar la eficiencia del calentador, que nos permitirá saber si
existe alguna fluctuación anormal en el sistema.
Posterior a ello, se realizará una comparación entre la operación ideal del calentador (Fig.
2.3) y la operación real, permitiendo dar una conclusión sobre el análisis realizado.
Fig. 2.3 Operación ideal – Diagrama de balance térmico
FLUIDO DE SERVICIO (DREN CAP 7)
t= 214.28 °C h= 218.5 kcal/kg m= 79,190.91 kg/h
1
3 4
2
5
VAPOR DE EXTRACCIÓN
t= 442.78 °C p= 19.96 kg/cm2 h= 796.15 kcal/kg m= 50,486.36 kg/h m= ENTRADA
t= 173.89°C p=20 kg/cm2 h= 177.78 kcal/kg m= 937,590.91 kg/h
SALIDA t= 208.72°C p= 20 kg/cm2 h= 214.07 kcal/kg m= 937,590.91 kg/h
DREN t= 179.44°C h= 181.21 kcal/kg m= 129,677.27 kg/h
20
Capítulo III: Propuesta de solución al planteamiento del problema
Los calentadores de agua que se tienen en esta central son siete por cada una de las
unidades. De estos siete calentadores, cinco son de baja presión y dos de alta presión,
numerados del uno al siete y en orden, partiendo del de más baja presión y temperatura.
Son del tipo cerrado o de superficie, de dos pasos, a excepción del calentador cinco, el cual
es de tipo abierto o de mezcla (deareador).Estos calentadores se utilizan para incrementar la
temperatura de agua de alimentación y aproximarla a la temperatura de ebullición en la
caldera, aumentando la eficiencia del ciclo, ya que se economiza combustible en la
caldera.Para calentar el agua de alimentación, se aprovecha el calor del vapor extraído de la
turbina después de una expansión parcial.
Las cabezas o tapas de los calentadores, así como las partes expuestas a la presión del
agua, son de un material muy resistente, a fin de soportar la presión. Sin embargo este
proyecto será únicamente enfocado al análisis del calentador de alta presión No. 6 de la
unidad No. 2, para identificar las causas de las fallas que actualmente están presentes en
dicho equipo.
Para desarrollar el proyecto partiremos de los siguientes pasos, estos se plasman en el
siguiente esquema (Fig. 3).
1. Descripción del sistema y de sus
componentes.
2. Registro de las variables que
intervienen en el sistema.
3. Análisis de los históricos del
calentador de alta presión.
4. Determinación de la eficiencia del
calentador.
5. Docuemntación de las actividades
de mantto al equipo.
Fig. 3 Esquema
21
3.1 Sistema agua de alimentación
El objetivo del sistema de agua de alimentación es llevar el agua desde el tanque de
oscilación del desgasificador hasta el domo superior del generador de vapor, en las
condiciones de flujo y presión requeridas, de tal manera que el nivel del domo se mantenga
en su valor normal.
En la Fig. 3.1, se muestra el diagrama simplificado del sistema de agua de alimentación,
donde puede verse que inicia en el tanque de oscilación del desgasificador y termina en el
domo superior del generador de vapor. Este sistema cuenta con los siguientes equipos:
- Tanque de oscilación del desgasificador
- Bombas de agua de alimentación
- Cuadro de regulación del sistema de agua de alimentación
- Calentadores de alta presión No. 6 y 7
Este sistema a través de las bombas de agua de alimentación proporciona la presión
necesaria para que el agua pueda llegar con una presión suficiente al domo de la caldera
pasando previamente por los calentadores de alta presión, donde aprovechando el calor del
vapor de las extracciones 6 y 7 incrementa su temperatura, logrando así un aumento en la
eficiencia del ciclo.
22
Fig. 3.1 Diagrama simplificado
23
3.2 Descripción del Sistema Agua de Alimentación
3.2.1 Tanque de Almacenamiento del Desgasificador
El sistema de agua de alimentación inicia en el tanque de oscilación del desgasificador en
donde el agua proveniente del sistema de condensado es almacenada. Del tanque de
oscilación sale una tubería hacia el cabezal de succión de las bombas de agua de
alimentación. La función del tanque de oscilación es asegurar el suministro de agua y una
presión positiva en la succión de las bombas de agua de alimentación.
El nivel normal de operación es de 930 mm (indicador AELI60D en sala de control). Si el
nivel sube o baja demasiado se tiene en cuarto de control la alarma “tanque almacenamiento
desgasificador problema”.
3.2.2 Bombas de Agua de Alimentación
Las bombas de agua de alimentación succionan el agua del tanque de oscilación del
desgasificador y la envían hacia el domo, pasando a través de los demás equipos del
sistema.
El sistema cuenta con 3 bombas de agua de alimentación, cada una de ellas del 50% de
capacidad, es decir, cuando la unidad se encuentra generando 50% de carga (175 MW) o
menos, solamente se requiere tener una bomba en servicio. Cuando se aumenta la
generación a más del 50%, se debe poner en servicio la segunda bomba, mientras la tercera
queda en reserva, ya sea en modo manual o automático.
El motor de las bombas se alimenta con un voltaje de 6.9 KV. En operación normal el agua
llega a la succión de la bomba con una presión de 12 bar y la descarga a una presión de
aproximada de 202 bar (ver Fig. 3.2).
24
Fig. 3.2 Bomba de agua de alimentación
25
3.2.3 Cuadro de Regulación de Flujo de Agua de Alimentación
La descarga de cada bomba se colecta en un cabezal común del cual se deriva la línea
principal. En esta línea se encuentra un cuadro de regulación formado por dos válvulas
motorizadas denominadas una de altas cargas y la otra de bajas carga, (ver diagrama
simplificado Fig. 3.1).
La válvula de bajas cargas se mantiene abierta desde el arranque de cualquier bomba y se
controla de forma manual o automática, permaneciendo abierta en operación normal.
La válvula de altas cargas abre cuando la presión del domo es mayor de 30 bar y cierra
cuando es menor de 20 bar. Por lo tanto, el nivel del domo es controlado por la válvula de
bajas cargas cuando la presión es de 0 a 30 bares, y cuando la presión es mayor el control
del nivel se transfiere al variador de velocidad.
Calentadores de Alta Presión 6 y 7: Son calentadores verticales de tubos en “U”. Por el
interior de los tubos circula agua que proviene de la descarga de las bombas de agua de
alimentación y por el exterior el vapor de la extracción.
Su función es incrementar la temperatura del agua de alimentación para mejorar la eficiencia
del ciclo aprovechando la energía (calor) del vapor de las extracciones (al llegar el agua más
caliente al generador de vapor, se requiere suministrar menor calor para transformarla a
vapor, lo cual repercute en un ahorro de combustible).
Cada calentador cuenta con sus válvulas motorizadas en su entrada, salida y derivación, las
cuales aíslan de forma automática y derivan el calentador en caso de un alto nivel (ver
diagrama simplificado (Fig. 3.1). Estas válvulas pueden ser accionadas de forma manual por
el operador desde sala de control.
Los calentadores de alta presión cuentan con líneas de drenado del agua que se forma al
condensarse el vapor de la extracción al ceder su calor al agua de alimentación. La función
de este sistema de drenado es mantener un nivel normal en el calentador lado carcaza (ver
Fig. 3.3).
26
Fig. 3.3 Calentador de Alta Presión
27
3.3 Variables que intervienen en el sistema
De acuerdo a la investigación realizada dentro de la central termoeléctrica, se han
obtenido los siguientes datos correspondientes al equipo.
El calentador de alta presión actualmente en operación en la Unidad No. 2 cuenta con las
siguientes características de diseño (Tabla No. 1) y operación (Tabla No. 2):
Fabricante: SWECOMEX S. A. de C. V.
Tipo: Tubos en “U” horizontal
Tamaño: 1346 mm D.I. X 10312.4 mm
Superficie efectiva: 703.65 m2
Pres. diseño carcaza 24.6 kg/cm2
Pres. prueba carcaza 36.9 kg/cm2
Pres. diseño tubos 237.28 kg/cm2
Pres. prueba tubos 356 kg/cm2
Temperatura diseño 482.2 °C
Tabla No. 1: Características principales
Parámetros de operación
Temp. Agua entrada 174 °C
Temp. Agua Salida 209 °C
Pres. Vapor Extraccion 10 kg/cm2
Temp. Vapor Entrada 440 °C
Temp. Salida Carcaza 182.2 °C
Flujo Extrac. 6 51, 760 kg/h
Flujo de drenes 78, 745 kg/h
Flujo Agua Alimentacion 958, 398 kg/ h
Tabla No. 2: Calentador de Alta presión No. 6 Unidad 2
En la siguiente tabla (Tabla No. 3), se muestra información proveniente del fabricante del
equipo, la cual posteriormente será utilizada en el cálculo correspondiente a la
determinación de la eficiencia del equipo.
La eficiencia del calentador depende del fluido que se esté considerando. (Holman, 2000,
pág. 404). Por tanto, el coeficiente global de transferencia de calor en un cambiador de
calor puede variar sustancialmente a lo largo del cambiador si los fluidos son tales que
sus propiedades dependen fuertemente de la temperatura. En este caso, el análisis se
lleva mejor a cabo basándose en un método numérico o de diferencias finitas.
Diferencias finitas: El Método consiste en una aproximación de las derivadas parciales
por expresiones algebraicas con los valores de la variable dependiente en un limitado
número de puntos seleccionados.
28
Tipo: Tubos en “U” horizontal Tamaño: 1346 mm X 10312.4 mm
Superficie efectiva por carcaza: 703.65 m2 Área total por carcaza: 703.65 m2
Comportamiento de la carcaza
Zona C.T.C. D.M.T. Carga térmica Superficie
Des precalentamiento 116 130 °C 5026392 Cal/hr 68.4 m2
Enf. Drenes 459 14.6 °C 4034520 Cal/hr 123.2 m2
Condensación 757 13.7 °C 25824204 Cal/hr 512.1 m2
Total
Lado de la carcaza Lado de los tubos
Flujocirculante Vapor Drenes
Temperatura - Entrada “C” °C 448.9 211.4 (SAT) 176.7
Temperatura – Salida “C” °C 182.2 211.4
Entalpia – Entrada “C” Cal/hr 801.3 221.8 181.1
Entalpia – Salida “C” Cal/hr 184.4 217.5
Presion de entrada Kg/cm2 20.02
Caida de presión Kg/cm2 0.13 Cond. 0.3 SubEnf. 0.7 “C”
Velocidad m/seg 2.22
Numero de pasos
Gasto de entrada “C” Kg/hr 51760.3 78745 958398
Construcción
Diseño Prueba
Presión MAN Kg/cm2 24.6 36.9 237.28
Temperatura de diseño °C 482.2 226.7 226.7
De corrosión 1.6
Códigos y normas aplicables – ASME, BOILER & PRESSURE VESSELCODEHEAT
Longitud de tubos – total: 10312.4 mm efectiva
Partes No.
diámetro
Espesor Material ASTM
No.
Detalles
Tubos 22.2 mm 2.2 mm A – 556 – C2
Carcaza 489 mm 19.1 mm A – 515 - 70
Cortina de la carcaza 19.1 mm A – 515 - 70 Soldada EXT. Bridada
F.C.
Cabeza 76mm.2 A – 515 - 70
Cortina de la carcaza
Espejo fijo 260.35 mm A – 226 - II
Espejo flotante
Cub. De Cab. Flotante.
Anillo de refuerzo 6.35 mm A – 283 - C
Mamparas
Placas de soporte 15.8 mm A – 283 - C
Placas de impacto 6.35 mm 304 - SS
Tabla No. 3: Características de diseño – Calentador de Alta Presión
29
3.4 Análisis de datos históricos
El análisis que se realizará a continuación, implicara solo los mantenimientos realizados
durante el último año (2012), ya que de acuerdo a los registros obtenidos del
departamento de análisis y resultados, los mantenimientos correctivos realizados al
equipo han aumentado en comparación con años anteriores.
El calentador de alta presión, tiene 776 tubos; se han efectuado actividades de revisión
interna y mapeos; la presión de trabajo de las bombas de agua de alimentación con
máxima carga es de 205 kg/cm2 y la diferencia entre presiones del fluido de trabajo, en
este caso agua de alimentación, y la resistencia de los tubos debe ser del orden del 10%
arriba de la presión de trabajo, además que la prueba hidrostática de fábrica es a una
presión de más del 50% de la de trabajo.
Debido a esto se requirió de personal especializado querealizará una serie de pruebas y
estudios para determinar la causa raíz de la falla ya que entre el periodo Enero – Marzo,
se encontraron 13 tubos dañados aun estando sin presión el calentador, que sumados a
los tubos ya clausurados hacen un total de 47 tubos equivalente al 6% del total.
En la siguiente imagen (Fig. 3.4) se muestra el mapeo realizado en este mantenimiento:
Fig. 3.4 MapeoEnero – Marzo 2012
30
En las siguientes imágenes (Fig. 3.5) se muestran los tubos clausurados en las
actividades de mantenimiento realizadas el periodo Enero - Marzo del 2012.
1 3
2
5
4
Fig. 3.5 Tubos clausurados Enero – Marzo 2012
31
Durante el periodo comprendido entre los meses Junio – Octubre, se registró un
incremento del 2.2 %, sumando así el 8.2 %, lo cual equivale a 63 tubos clausurados por
fuga en el interior del calentador.
En las siguientes imágenes (Fig. 3.6) se muestran los tubos clausurados en el
mantenimiento correspondiente a este periodo.
Fig. 3.6 Tubos clausurados Junio – Octubre 2012
32
Entre el periodo Octubre – Diciembre se registraron nuevos eventos en el calentador,
dando como resultado un incremento en el número de tubos clausurados por fuga. Este
número se incrementó en el 1% más, dando un total del 9.2%, lo cual equivale a 72 tubos
clausurados hasta ese momento.
En la Fig. 3.7 se muestra el mapeo correspondiente a los tubos clausurados en el equipo.
Fig. 3.7 Mapeo Octubre– Diciembre 2012
33
En la siguiente imagen (Fig. 3.8) se muestran los tubos clausurados en el mantenimiento
correspondiente a este periodo.
Fig. 3.8 Tubos Clausurados Octubre – Diciembre 2012
Terminadas las actividades de mantenimiento correspondiente a este periodo se realizó
un diagnóstico de la condición operativa del calentador obteniéndose como resultado del
diagnóstico un exceso de carga térmica hacia el calentador en el cual el Sistema VScort
interpreta como excedente de temperatura o flujo hacia el equipo en cuestión. Sin
embargo, este diagnóstico es debido a la deficiencia de superficie del citado equipo ya
que el efecto de excedente de carga térmica para una superficie de transferencia fija
causa el mismo efecto que una superficie de transferencia menor para una carga térmica
fija.
34
En el recién mantenimiento realizado en Marzo del 2013, se descubrieron 9 tubos con
fuga en el interior del calentador, sumando así 81 tubos clausurados lo cual representa el
10.43%, sobrepasando así el límite máximo permisible en el número de tubos
taponeados.
El calentador tiene 776 tubos, de los cuales solo el 10% es permitido taponear según
fabricante, lo cual nos permite saber que mecánicamente el calentador ha perdido su
eficiencia.
En la Fig. 3.9 se muestra el mapeo de los tubos taponeados en el calentador.
Fig. 3.9 Mapeo de tubos clausurados Marzo 2013
35
En las siguientes Fotografías (Fig. 3.10) se muestran algunas de las fugas detectadas, así
como los tapones nuevos que se instalaron en la parte superior del espejo del calentador.
Fig. 3.10 Fugas detectadas y Tubos Clausurados Marzo 2013
De acuerdo a los resultados obtenidos del análisis de los datos históricos, se establece la
necesidad de sustituir el Calentador N° 6 de la Unidad 2 de la C. T. Francisco Pérez Ríos
dado que como puede observarse, este equipo está operando como subdimensionado
debido a la cantidad de tubos que se han ido cancelando en cada evento, además del
riesgo que representa el operar de esta manera por protección del turbo - grupo y por la
confiabilidad en la operación de la unidad.
36
De acuerdo al registro de históricos proporcionados por el departamento de Análisis y
Resultados, se han detectado diferentes anomalías en el interior del calentador, las cuales
se supone han provocado las fugas de agua en el equipo.
Estas anomalías son las siguientes:
Transferencia de calor deficiente (Aire)
Carga térmica excesiva por vapor de extracción
Carga térmica excesiva por drenaje posterior
Alto nivel
Bajo nivel
Sin nivel
37
3.5 Cálculo de la eficiencia del calentador de alta presión
Para realizar el cálculo de la eficiencia del equipo, se hará uso de las variables registradas
anteriormente.
En la siguiente imagen (Fig. 3.11) se muestran las variables necesarias para el cálculo de
las entalpías correspondientes a las entradas y salidas de energía del sistema.
Dónde:
Text6: Temperatura del Vapor en la Extracción No. 6 - (°C)
Pext6: Presión del vapor en la Extracción No. 6 - (Kg/cm2)
Taec6: Temperatura de Agua de Alimentación a la entrada del Calentador No. 6 -
(°C)
Tdc6: Temperatura del Dren del Calentador No. 6 - (°C)
Fig. 3.11 Variables del sistema
38
3.5.1 Cálculo de entalpías
1. En la siguiente tabla (Tabla No. 4) se muestran los valores de las variables
necesarias para el cálculo de las entalpías.
Tabla No. 4 Variables en el CAP No. 6
2. Una vez que se tienen estos valores, se procederá a determinar los estados
termodinámicos, utilizando las tablas termodinámicas (Anexo 1, 2, 3).
3. Para la mayor parte de las sustancias, las relaciones entre propiedades
termodinámicas son demasiado complejas para expresarse por medio de
ecuaciones simples; por lo tanto, las propiedades suelen presentarse en forma de
tablas. Algunas propiedades termodinámicas se miden con facilidad, pero otras no
y deben calcularse a través de las relaciones que mantienen propiedades
medibles.
4. Normalmente se tienen 3 tipos de tablas, la primera es la de líquido saturado
(usada para mezclas) entrando con temperatura, la segunda tabla es la misma de
líquido saturado pero entrando por presión, y por último se tiene la de vapor sobre
calentado. (Cengel, Yunus A., y Boles, Michael A., 2006, pág. 126)
Equipo
Agua de Entrada Agua de Salida
Flujo Temp Presión Flujo Temp Presión
Calentador
de alta
presión
Unidad 2
877.1 T/h 158 °C 18 kg/cm2 877.1 T/h 206 °C
18 Kg/cm2
Dren Calentador Anterior Extracción
Flujo Temp Presión Flujo Temp Presión
49.57 T/h 158 °C 35 Kg/cm2 88.64 T/h 255 °C 18.5
Kg/cm2
39
3.5.1.1 Vapor de extracción
A continuación se determinarán los estados termodinámicos de las cargas térmicas de
entrada, para ello utilizaremos los datos correspondientes a la extracción de vapor, y a la
entrada de agua del calentador.
Para ello utilizaremos la tabla de líquido saturado entrando con presión (Anexo 1) y los
siguientes datos (Tabla No. 5):
Tabla No. 5 Vapor de extracción
1. Como primer paso procederemos a convertir la presión de kg/cm2 a bar’s. se
considera que 1 bar es igual a 1.01972 kg/cm2, por lo que al hacer la conversión
de la presión a la que llega el vapor de extracción al calentador se tiene que este
entra a 18.1423bar’s.
2. Una vez obtenida la presión, esta se buscara en la tabla termodinámica antes
mencionada.
3. En ella se buscara la presión antes obtenida, sin embargo debido a que los valores
indicados en la tabla suelen ser cantidades enteras, se buscara el valor que más
se acerque al valor de la presión obtenida en el cálculo anterior.
4. Identificado el valor de la presión se buscara la temperatura de saturación (Tsat),
la cual posteriormente se comparará con la temperatura obtenida en el monitoreo
del calentador (Fig. 3.12).
Fig. 3.12 Temperatura de saturación – Vapor de extracción
Vapor de Extracción
Temp Presión
255 °C 18.5 kg/cm2
40
5. Obtenidos estos valores se hará la comparación entre la temperatura de monitoreo
(Ta), y la temperatura de saturación (Tsat), ya que estas definirán el estado
termodinámico en el cual se encuentra el vapor de extracción, ya que
posteriormente este nos permitirá conocer la entalpía correspondiente.
6. El estado termodinámico se determinará bajo la siguiente condición: Si Ta es
mayor que Tsat entonces es vapor sobre calentado y si Tsat es mayor que Ta
entonces es líquido comprimido o saturado; ahora si Ta = Tsat o Pa= Psat eso es
una mezcla es decir tendrás líquido y vapor saturado juntos.
7. A continuación se muestran los datos obtenidos de la tabla termodinámica.
Presión (Pa) = 19.5 kg/cm2 = 19.1229675 bar’s ----- Tsat= 212.4°C
8. De acuerdo a la condición antes planteada se tiene que: Ta = 428°C >Tsat =
212.4°Cy por lo tanto se ha determinado que el estado termodinámico es “Vapor
sobre calentado”.
9. Una vez que se ha determinado el estado termodinámico, se procederá a
determinar la entalpía correspondiente a este (Fig. 3.13).
Fig. 3.13 Entalpía – Vapor de extracción
10. De acuerdo a la tabla termodinámica, se tiene que el valor de la entalpía a una
Tsat = 212.4°C es de 2799.5 kj/kg= 679.11 kcal/kg.
41
3.5.1.2 Agua de entrada
1. Ahora procederemos a calcular el estado termodinámico y entalpía
correspondiente al agua de entrada en el calentador.
2. Para ellos al igual que en el cálculo anterior se utilizarán los datos
correspondientes a la temperatura y presión monitoreados (Tabla No. 6), sin
embargo ahora haremos uso de la tabla de líquido saturado entrando con
temperatura (Anexo 2).
Tabla No. 6 Agua de entrada
3. En la tabla No. 6 se buscara la temperatura obtenida en el monitoreo del equipo.
4. Identificado el valor de la temperatura se buscara la Presión de saturación (Psat),
la cual posteriormente se comparara con la presión (Pa) obtenida en el monitoreo
del calentador (Fig. 3.14).
Fig. 3.14 Presión de saturación – Agua de entrada
5. Sin embargo ahora el estado termodinámico se determinara bajo una condición
diferente al caso anterior: Si Pa es mayor que Psat entonces es líquido saturado o
también llamado líquido comprimido. Si Psat es mayor que Pa entonces es vapor
sobre calentado.
6. A continuación se muestran los datos obtenidos de la tabla termodinámica.
Temperatura (Ta) = 169.9°C -----Psat= 6.178 bar’s = 6.29981 kg/cm2
7. De acuerdo a la condición antes planteada se tiene que: Pa = 18 kg/cm2 >Psat =
8.07309 kg/cm2y por lo tanto se ha determinado que el estado termodinámico es
“Líquido saturado”.
Agua de entrada
Temp Presión
158 °C 18 kg/cm2
42
8. Una vez que se ha determinado el estado termodinámico, se procederá a
determinar la entalpía correspondiente a este (Fig. 3.15).
Fig. 3.15 Entalpía – Agua de entrada
9. De acuerdo a la tabla termodinámica, se tiene que el valor de la entalpía a una
Psat = 8.07309 kg/cm2 es de 675.55 kj/kg= 161.57 kcal/kg.
43
3.5.1.3 Agua de salida
1. Ahora procederemos a calcular el estado termodinámico y entalpía
correspondiente al agua de salida en el calentador.
2. Para ellos al igual que enel cálculo anterior se utilizarán los datos
correspondientes a la temperatura y presión (Tabla No. 7), igualmente haremos
uso de la tabla de líquido saturado entrando con temperatura (Anexo 2).
Tabla No. 7 Agua de Salida
3. Al igual que en el caso anterior en la tabla (Anexo 2) se buscara la temperatura
obtenida en el monitoreo del equipo. Para identificar la presión de saturación
(Psat), que posteriormente se comparara con la presión (Pa) de monitoreo (Fig.
3.16).
Fig. 3.16 Presión de saturación – Agua de salida
4. El estado termodinámico se determinara bajo la misma condición ya mencionada
en los cálculos anteriores.
Temperatura (Ta) = 206°C -----Psat = 19.06 bar’s = 19.4358 kg/cm2
5. De acuerdo a la condición antes planteada se tiene que: Pa = 18 kg/cm2>Psat =
19.4358 kg/cm2y por lo tanto se ha determinado que el estado termodinámico es
“Líquido saturado”.
Agua de Salida
Temp Presión
206 °C 18kg/cm2
44
6. Determinado el estado termodinámico, se procederá a determinar la entalpía
correspondiente a este (Fig. 3.17).
Fig. 3.17 Entalpía – Agua de salida
7. De acuerdo a la tabla termodinámica, se tiene que el valor de la entalpía a una
Psat = 19.4358 kg/cm2 es de 897.76kj/kg= 211.65 kcal/kg.
45
3.5.2 Memoria de cálculo
3.5.2.1 Funcionamiento ideal
Los datos mostrados en la Fig. 3.18 han sido tomados del diagrama de balance térmico
(Anexo 5).
3.5.2.2 Agua dentro de los tubos
Calentamiento del agua:
Donde:
∆Tcc: Calentamiento del agua
T2: Temperatura de salida
T1: Temperatura de entrada
hf1 = 175.77 Kcal/Kg
hf2 = 211.33 Kcal/Kg
FLUIDO DE SERVICIO (DREN CAP 7)
t= 214.28 °C h= 218.5 kcal/kg m= 79,190.91 kg/h
1
3 4
2
5
VAPOR DE EXTRACCIÓN
t= 442.78 °C p= 19.96 kg/cm2 h= 796.15 kcal/kg m= 50,486.36 kg/h m= ENTRADA
t= 173.89°C p=20 kg/cm2 h= 177.78 kcal/kg m= 937,590.91 kg/h
SALIDA t= 208.72°C p= 20 kg/cm2 h= 214.07 kcal/kg m= 937,590.91 kg/h
DREN
t= 179.44°C h= 181.21 kcal/kg m= 129,677.27 kg/h
Fig.3.18 Variables de operación – Diagrama de balance térmico
46
3.5.2.3 Balance de masas:
3.5.2.4 Balance de energías (Energía absorbida)
Donde:
Qa: Energía absorbida
ma:
h2: Entalpía de salida
h1: Entalpía de entrada
3.5.2.5 Balance de masas:
Donde:
msal: masa del dren
ment: masa de entrada (vapor desviado y flujo de servicio)
m3 = mext: masa del vapor desviado
m4 = mdesv: masa del fluido de servicio
47
3.5.2.6 Balance de energías (Vapor disipado)
Agua – vapor
Diferencia terminal de temperaturas:
Nota: En la mayoría de los casos esta condición no se cumple por diseño del fabricante
3.5.2.7 Balance de energía (Energía pérdida)
48
3.5.3 Funcionamiento real
Para llevar a cabo la realización del cálculo de la eficiencia del calentador se utilizaran los
siguientes datos tomados del monitoreo del equipo en el departamento de operación de la
central termoeléctrica (Fig. 3.19).
1. A continuación se comenzara con el cálculo del incremento de temperatura dentro
del agua de los tubos.
3.5.3.1 Agua dentro de los tubos
2. El cálculo realizado se muestra que existe una diferencia de 14.83°C entre el valor
de incremento ideal y real.
3. Enseguida se realizará el cálculo del balance de masas
FLUIDO DE SERVICIO (DREN CAP 7)
t= 158 °C h= 159.63 kcal/kg m= 49, 574 kg/h p= 35 kg/cm2
1
3 4
2
5
VAPOR DE EXTRACCIÓN
t= 255 °C p= 18.5 kg/cm2 h= 679.11 kcal/kg m= 88, 643 kg/h m= ENTRADA
t= 158 °C p=18 kg/cm2 h= 161.57 kcal/kg m= 877, 100 kg/h
SALIDA t= 206 °C p= 18 kg/cm2 h= 211.65 kcal/kg m= 877, 100 kg/h
DREN
t= 173 °C h= 175 kcal/kg m= 136, 217 kg/h p= 18.5 kg/cm2
Fig.3.19 Variables de operación
49
3.5.3.2 Balance de masas:
4. En este cálculo se logra identificar que las masas en el calentador son correctas, y
por lo tanto no existe diferencia entre ellas.
5. Ahora se continuará con el balance de energías, en donde utilizaremos la masa
que se encuentra en el calentador, así como las entalpías correspondientes a la
entrada y salida de agua del calentador.
3.5.3.3 Balance de energía (Energía absorbida)
6. De acuerdo al cálculo realizado podemos observar que existe una incremento de
energía en el calentador de 9, 900,027 kcal/kg.
7. Una vez realizado este cálculo de la energía absorbida procederemos a realizar el
cálculo de la masa de condensado. Para ello:
3.5.3.4 Balance de energías (Energía Disipada “vapor”):
8. Una vez calculada la energía disipada por el vapor, procederemos a determinar la
energía pérdida en el calentador.
50
9. Para ello utilizaremos la energía absorbida y la energía disipada.
De acuerdo a los resultados obtenidos y comparándolos con los valores ideales, se puede
observar un exceso de carga térmica en el calentador.
51
Capítulo IV: Evaluación, Análisis de resultados, Producto
y/o impacto.
A continuación se presenta un estudio que dará como resultado la factibilidad económica
del desarrollo del proyecto. Se determinaran los recursos para desarrollar, implantar y
mantener en operación el calentador de alta presión, haciendo una evaluación donde se
puso de manifiesto el equilibrio existente entre los costos intrínsecos y los beneficios que
se deriven de este proyecto, lo cual permitirá observar de una manera más precisa las
bondades del proyecto propuesto.
Los beneficios aportados por la aplicación de este proyecto están dados por los siguientes
aspectos:
Beneficios tangibles:
Reducción de costos de Mantenimiento.
Reducción en los costos de combustibles.
Beneficios intangibles:
Reducción de mantenimiento correctivo.
Incremento de la eficiencia del sistema de generación de electricidad.
4.1 Análisis costo beneficio
Este análisis permitirá hacer una comparación entre la relación de los costos promedio
que generan las fallas en el calentador, así como los costos por perdida de la capacidad
de la unidad.
NOTA: Los costos aquí mencionados son considerados de acuerdo al funcionamiento
ideal de la unidad, por lo que no se consideran costos de refacciones y mano de obra.
En la tabla 8 se muestra la capacidad de operación a la cual trabaja la unidad cuando
alguno de los calentadores instalados en esta queda fuera de operación.
52
Caso Calentadores
fuera de servicio
Baja presión Alta
presión
Máxima carga
permitida
1 2 3 4 6 7
1 7 O O O O O X 300 MW
2 6 O O O O X O 270 MW
3 6 - 7 O O O O X X 270 MW
4 3 - 4 O O X X O O 270 MW
5 3 - 4 - 7 O O X X O X 270 MW
6 3 - 4 - 6 O O X X X O 240 MW
7 3 - 4 - 6 - 7 O O X X X X 240 MW
8 1 - 2 X X O O O O 270 MW
9 1 - 2 - 3 - 4 X X X X O O 210 MW
10 1 - 2 - 6 X X O O X O 240 MW
11 1 - 2 - 7 X X O O O X 270 MW
12 1 - 2 - 6 - 7 X X O O X X 240 MW
13 1 - 2 - 3 - 4 - 6 - 7 X X X X X X 180 MW
Tabla No. 8: Máxima carga permitida con calentadores fuera de servicio.
De acuerdo a la tabla anterior, se puede observar que al salir de operación el calentador
No. 6, la generación de electricidad se reduce en un 10% de total de su capacidad, lo que
significa que la unidad estará generando 270 MW/h del total de su capacidad.
Esta situación se ve reflejada en dos aspectos muy importantes para la empresa:
El costo que se genera por el mantenimiento al equipo.
La pérdida económica debido a la disminución de generación de electricidad.
La unidad tiene una capacidad de 300 MW/h, por lo que al día se producen 7200 MW, lo
cual genera un ingreso para CFE de $10, 800,000.00.
Costo por MW = $1500.00
53
Con el calentador No. 6 fuera de servicio y una generación de 270 MW/h se tiene un
ingreso de $9, 720,000.00, lo cual indica que se tiene una pérdida de $1,080,000.00.
Cabe mencionar que el mantenimiento a este equipo requiere de dos a tres días para
realizarse, lo cual implica el paro total del equipo, provocando así la disminución de la
capacidad de la unidad.
Generalmente este mantenimiento correctivo se realiza de 2 a tres días lo cual significa
que la empresa tiene una pérdida de:
Mantto. Correctivo: 2 a 3 días - $2, 160,000.00 a $3, 240,000.00
En la tabla 9 se desglosa el costo de mantenimiento que se genera al fallar el calentador
de alta presión. Cabe mencionar que este mantenimiento es realizado por una empresa
que presta sus servicios a CFE.
Materiales
Descripción Cantidad Unidad Costo Importe
Soldadura 680 20 kg $ 50.00 $ 1,000.00
Placa de acero 36 mt $ 45.00 $ 1,620.00
Tapones de acero inoxidable 30 pz $ 200.00 $ 6,000.00
Subtotal (1) = Importe por materiales Suma $ $ 8,620.00
Mano de obra
Tiempo estimado: 3 días
Categoría Cantidad Unidad Salario Importe
Oficial soldado especialista 2 Jornada $556.57 $3,339.42
Oficial mecánico de piso 2 Jornada $556.57 $3,339.42
Oficial pailero 1 Jornada $556.57 $1,669.71
Ayudante 1 Jornada $240.77 $722.30
Subtotal (2) = Importe por mano de obra Suma $ $8,348.55
Herramienta
Descripción Cantidad Unidad Costo Importe
Herramienta menor (6% m.o.) jornada $ 500.91
Equipo de seguridad (6% m.o.) 3 jornada $ 1,502.74
subtotal (3) = importe por herramienta $ 2,003.65
54
(C.D.) Suma de subtotales $18,972.20
(I) Indirectos $239.34
(1) Suma (c.d.+i) $19,211.55
(u) Utilidad (15%) $2,881.73
(2) Suma (u + 1) $22,093.28
Total $22,093.28
Tabla No. 9 Costo de mantenimiento al CAP
Tomando en cuenta el costo generado por el mantenimiento y el costo generado por la
reducción de la capacidad de la unidad se tiene que la pérdida económica (Tabla No. 10)
para la C.T. Fco. Pérez Ríos es de:$3, 262, 093.28
Costo por Mantenimiento $22, 093.28
Costo por reducción de capacidad $3, 240, 000.00
Total $3, 262, 093.28
Tabla No. 10 Perdida económica
De acuerdo al análisis realizado en la propuesta a la solución del problema, y haciendo
una comparación entre los costos y beneficios que se plantean en este capítulo podemos
saber que tanto la corrección de las fallas en dicho equipo como el del cambio de este
conllevan grandes beneficios.
Sin embargo al saber que el calentador actualmente en operación ha perdido confiabilidad
en su funcionamiento, es recomendable la sustitución de este, ya que así se tendrá la
certeza de que el equipo funcionará de manera confiable, ya que solo habrá necesidad de
que este salga a mantenimiento de manera programada.
Con la sustitución del calentador se podrá asegurar que:
Los costos por combustibles disminuirán ya que se requerirá menor combustible
para poder elevar la temperatura de la caldera.
La eficiencia del sistema de agua de alimentación se incrementaría, permitiendo
así que la unidad trabajará al 100% de su capacidad.
Y por lo tanto, los ingresos económicos para la central termoeléctrica se
incrementarán.
55
De acuerdo al fabricante SWECOMEX S. A. de C. V., el precio de un calentador nuevo es
de $4, 500,000.00, lo que nos permite saber que el costo generado por el disparo del
calentador actualmente en operación estaría cubriendo el 72.5% del precio total del
calentador nuevo (Tabla No. 11).
$4, 500, 000.00 100%
$3, 262, 093.28 X
72.5%
Tabla No. 11 Comparación de costos
En análisis anterior permite saber que lo recomendable para dar solución a la
problemática presente en la central termoeléctrica es realizar la sustitución del equipo, ya
que de acuerdo a la comparación entre los costos, el costo generado por mantenimiento
estaría cubriendo casi el total del costo por la adquisición de un equipo nuevo.
56
Capítulo V: Conclusiones y recomendaciones
El objetivo final del proyecto ha sido identificar las causas que provocan las fallas en el
calentador de alta presión No. 6 de la unidad No. 2 en la C. T. Fco. Pérez Ríos, sin
embargo de acuerdo al análisis realizado se ha determinado que la eficiencia de este ha
disminuido considerablemente, lo cual hace saber que el equipo ya no es confiable y de
no tomarse en cuenta este análisis, el equipo en discusión podría provocar que los
equipos con los que está en funcionamiento común presenten fallas, causadas por la
mala operación de este.
Por tal razón, y de acuerdo a los cálculos realizados en este proyecto se recomienda que
el calentador sea sustituido a la brevedad posible, para así poder garantizar que el
sistema de agua de alimentación a la caldera se vuelva más eficiente.
Así también, se recomienda el monitoreo del equipo constantemente, para así evitar que
los niveles de condensado sean rebasados y en caso de que esto ocurra, poder realizar
acciones correctivas antes de que este afecte otros equipos como lo pueden ser la turbina
principal del sistema.
En función de la condición actual del equipo se recomienda que este funcione bajo
condiciones de operación inferiores a las indicadas por el fabricante, para así evitar
posibles fugas dentro del calentador, y por consecuente el disparo de la unidad.
Al igual es recomendable el monitoreo de los equipos auxiliares al equipo, como lo son
válvulas, bombas y drenes, para así evitar posibles fallas por exceso de agua condensada
y presiones de operación mayores a las recomendadas.
Es conveniente la utilización de pruebas no destructivas como lo son líquidos penetrantes,
y radiografía en las uniones soldadas del calentador para así poder detectar posibles
discontinuidades y evitar fugas o una posibles cavitación en el interior del calentador.
57
Así también, y de acuerdo al análisis de datos históricos realizado en el capítulo 3 de este
proyecto se recomienda llevar a cabo una investigación
En el análisis realizado puede observarse que la mayoría de los tubos clausurados en el
calentador se concentran en la parte derecha del calentador (Fig. 4).
Fig. 4 Tubos Clausurados
Esto hace suponer que existe algún desvió de vapor, agua o energía dentro del
calentador, lo que hace suponer la existencia de una fractura en la mampara que protege
los tubos.
Es por ello que a partir de estos resultados se recomienda la realización de una
investigación, que permita determinar la existencia de fracturas en dicha mampara.
58
Para ello se recomienda la utilización de algunas pruebas no destructivas como lo son la
resonancia y la radiografía, las cuales permitirán realizar un análisis más a fondo del
estado físico interno del calentador.
Así también de acuerdo a los cálculos realizados para la eficiencia del calentador, se
puede concluir que existe un exceso de carga térmica.
Esto se concluye a partir de realizar las comparaciones entre el funcionamiento ideal y el
funcionamiento real.
A continuación se muestran los valores obtenidos en el cálculo, a partir de los cuales se
ha determinado la existencia de exceso de carga térmica.
Incremento de temperatura a la salida:
Energía absorbida por el sistema:
Energía disipada:
Atendiendo a los valores obtenidos, podemos observar que existe una diferencia
considerable entre los valores reales e ideales, lo cual lleva a concluir que la energía en el
interior del calentador está sobrepasando los niveles de operación que hacen confiable al
equipo.
Es por ello que se ha llegado a suponer que el motivo por el cual el calentador falla, es
debido a un exceso de carga térmica, por lo cual se recomienda el monitoreo constante
del equipo para así poder anticiparse a la falla.
66
Glosario
Agua de circulación: Agua utilizada para absorber la carga térmica del vapor de
desfogue de la turbina baja presión y para el enfriamiento de equipos auxiliares.
Balance térmico: Estudio del equilibrio térmico entre energía calorífica recibida y
entregada.
Bomba agua de alimentación (baa): Equipo para llevar agua al domo del generador de
vapor y presurizarlo.
Bomba de condensado: Equipo que bombea el agua del pozo caliente hasta el
deareador.
Calidad de vapor: Porcentaje de humedad contenida en el vapor.
Caloría: Cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius a un kilogramo de
agua.
Cambiador de calor: Dispositivo que sirve para transferir calor de un medio a otro.
Carcaza: Envolvente integral de una máquina.
Condensador: Dispositivo que sirve para transformar el medio de trabajo de vapor a
líquido.
Consumo específico: Relación del combustible consumido entre la unidad de potencia
generada.
DTI: Diagrama de tubería e instrumentación.
Dren: Línea de desalojo.
Evaporación: Cambio de estado de líquido a vapor.
Mirilla: Dispositivo para visualizar condiciones de operación flama, nivel, flujo, etc.
Pozo caliente: Dispositivo inferior de los condensadores usado como cárcamo de succión
de las bombas de condensado.
Recalentador: Dispositivo que forma parte del generador de vapor en donde se
restablecen las condiciones de temperatura del vapor para su aprovechamiento integral.
67
Sobrecalentador: Dispositivo que forma parte del generador de vapor y que sirve para
elevar la temperatura de saturación del vapor.
68
Bibliografía
Cengel, Yunus A., y Boles, Michael A., (2006). Termodinámica. Cd. De México, México:
McGraw-Hill/Interamericana.
Holman, J. P., (2000). Transferencia de calor. Madrid, España: McGraw-
Hill/Interamericana de España, s. a. u.
C. T. Fco. Pérez Ríos, Comisión federal de electricidad, (2009). Sistema de agua de
alimentación. Instructivo de familiarización, 5 - 12.
C. T. Fco. Pérez Ríos, Comisión federal de electricidad, (2009). Extracciones, drenes y
venteos. Instructivo de familiarización, 7 - 13.
C. T. Fco. Pérez Ríos, Comisión federal de electricidad, (2009). Sistema de condensado.
Instructivo de familiarización, 5 - 11.
69
Índice de material gráfico
Fig. 1 Fig. 1.1 Fig. 1.2 Fig. 1.3 Fig. 1.4 Fig. 1.5 Fig. 1.6 Fig. 1.7 Fig. 1.8 Fig. 1.9 Fig. 2 Fig. 2.1 Fig. 2.2 Fig. 2.3 Fig. 3 Fig. 3.1 Fig. 3.2 Fig. 3.3 Tabla No. 1 Tabla No. 2 Tabla No. 3 Fig. 3.4 Fig. 3.5 Fig. 3.6 Fig. 3.7 Fig. 3.8 Fig. 3.9 Fig. 3.10 Fig. 3.11 Tabla No. 4 Tabla No. 5 Fig. 3.12 Fig. 3.13 Tabla No. 6 Fig. 3.14 Fig. 3.15 Tabla No. 7 Fig. 3.16 Fig. 3.17 Fig.3.18 Fig.3.19 Tabla No. 8 Tabla No. 9 Tabla No. 10 Tabla No. 11 Fig. 4
Torre de enfriamiento Agua de repuesto Sistema de condensado Tanque de condensado Condensador Bomba de condensado Calentadores baja presión 1 y 2 Deareador Sistema agua de alimentación Calentadores alta presión 6 y 7 Fugas en el interior del calentador Mapeo de los tubos clausurados en el calentador Calentador Operación ideal – Diagrama de balance térmico Esquema Diagrama simplificado Bomba de agua de alimentación Calentador de alta presión Características principales Calentador de alta presión No. 6 Unidad 2 Características de diseño – Calentador de Alta Presión Mapeo Enero – Marzo 2012 Tubos clausurados Enero – Marzo 2012 Tubos clausurados Junio – Octubre 2012 Mapeo Octubre – Diciembre 2012 Tubos Clausurados Octubre – Diciembre 2012 Mapeo de tubos clausurados Marzo 2013 Fugas detectadas y tubos Clausurados Marzo 2013 Variables del sistema Variables en el calentador de alta presión No. 6 Vapor de extracción Temperatura de saturación – Vapor de extracción Entalpia – Vapor de extracción Agua de entrada Presión de saturación – Agua de entrada Entalpia – Agua de entrada Agua de Salida Presión de saturación – Agua de salida Entalpia – Agua de salida Variables de operación – Diagrama de balance térmico Variables de operación Máxima carga permitida con calentadores fuera de servicio Costo de mantenimiento al CAP Pérdida económica Comparación de costos Tubos clausurados
1 3 4 5 6 8 9 10 14 15 17 18 19 19 20 22 24 26 27 27 28 29 30 31 32 33 34 35 37 38 39 39 40 41 41 42 43 43 44 45 48 52 53 54 55 57
