CAPÍTULO NOVENO
LA PRODUCCION DE VAPOR
¤ Introducción
¤ Descripción general de la caldera Fraser
¤ Procedimiento normal de arranque de la caldera
¤ Procedimiento normal de parada de la caldera
¤ Procedimiento de parada de emergencia
¤ Glosario
INTRODUCCION
El proceso de la extracción del aceite de palma necesita una cantidad importante de vapor, especialmente para la esterilización y para el calentamiento en las demás etapas de ese proceso. El vapor requerido para estos procesos es vapor de baja presión (entre 3 y 4 bar). Sin embargo, para la producción de la fuerza motriz (en forma de energía eléctrica), las turbinas requieren vapor de mayor presión (20 a 22 bar), usualmente recalentado.
La producción de este vapor es asegurada de manera muy amplia por la combustión de las fibras y cáscaras de desecho que representan aproximadamente entre un 19% y un 20% del peso de los racimos frescos.
Las plantas de extracción de aceite de palma de tamaño grande utilizan en general calderas acuotubulares o combinadas pirotubular-acuotubular de alto rendimiento, que aunque son más delicadas que las calderas de tipo pirotubular, son ventajosas por su rapidez en alcanzar la presión de trabajo, por su gran elasticidad de producción y por el gran volumen de producción que con ellas se puede alcanzar. En Indupalma se tienen dos calderas acuotubulares tipo fraser y una combinada pirotubular-acuotubular.
DESCRIPCION GENERAL DE LA CALDERA FRASER
La caldera Fraser es una caldera acuotubular de tamaño mediano, que consiste básicamente de un domo (tambor) de vapor y agua y de un conjunto de dos bancos de tubos de evaporación, cada uno con doble colector, conectados al domo mediante tubos de circulación, los cuales actúan como alimentadores o de retorno, hacia o desde los colectores posteriores y frontales.
Los tubos de evaporación están inclinados 20° sobre la horizontal con el fin de promover un flujo undireccional vigoroso. Unos bafles se han colocado entre estos tubos rectos para crear un sistema de tres pasos de los gases de combustión a través de la superficie de calentamiento.
Los colectores están acoplados juntos, tanto en el frente como en la parte posterior, por medio de pequeños tubos de conexión. El cierre y sello de los colectores se asegura por medio de cubiertas atornilladas que son fácilmente removibles, permitiendo el acceso completo para propósitos de limpieza y de cambio de tubos.
La caldera está equipada con paredes de agua en cada lado del hogar, que consisten de dos colectores en cada una, uno en la parte superior y otro en la parte inferior. En cada pared estos colectores están conectados el uno con el otro de dos maneras: en primer lugar mediante los tubos de generación que van por la parte interior de la pared refractaria del hogar y en segundo lugar por los tubos de recirculación que van por la parte exterior. Estos tubos de recirculación permiten que las gotas de agua arrastradas por el vapor en los tubos de generación regresen al colector inferior, sin pasar por el domo principal y hacen que solamente vapor de buena calidad llegue a dicho domo desde las paredes de agua. Para mantener la flexibilidad de la caldera Fraser las paredes de agua fueron diseñadas para tener un sistema de circulación completamente separado de los bancos principales. Esto significa que en el caso eventual de que las paredes de agua salgan de servicio el resto de la caldera puede continuar funcionando a una capacidad más baja, por un periodo determinado.
Todas las partes de presión, es decir, el domo, el conjunto de colectores y las paredes de agua son soportadas por la caja del hogar hecha en planchas de acero y adecuadamente reforzada con columnas y elementos transversales provista de sistemas de deslizamiento de los colectores para la expansión térmica. Todos los tubos de recirculación (alimentadores y de retorno) son externos a la caldera con lo cual se tiene una buena circulación.
El hogar, que es comparativamente de gran volumen, fue diseñado para la combustión eficiente de las fibras y cascarilla que requieren de cantidades grandes y adecuadas de aire tanto primario como secundario.
La caldera se encuentra equipada con una parrilla horizontal fija de tiro forzado. Dicha parrilla se divide en dos secciones por todo el centro desde el frente hasta la parte trasera y cada sección tiene su propio ventilador de aire forzado (primario) y su puerta del cenicero, o sea, que se puede decir que la caldera está equipada con dos parrillas de tiro forzado compartiendo un solo hogar. En la parte frontal del hogar hay tres sistemas de conductos alimentadores de combustible.
La alimentación de combustible dispone también de un ventilador de inyección forzada.
Hay un ventilador de aire secundario y un conjunto de conductos y boquillas de distribución.
En la parte trasera de la caldera está un ventilador de tiro inducido, ubicado justo antes de la chimenea. Un damper de control para este ventilador está dispuesto inmediatamente después de la salida de gases de la caldera, el cual tiene un control remoto operativo desde la parte frontal.
El hogar dispone también de dos puertas de fuego, las cuales proveen un acceso completo a la parrilla, permitiendo la remoción, distribución y limpieza manual de combustible.
Hay además cinco sopladores de hollín con conexión de vapor directo desde el domo. Este vapor es soplado a través de boquillas hacia los espacios de paso de gases entre los tubos para mantenerlos limpios y libres. Los sopladores de hollín pueden rotarse manualmente desde el nivel del piso de manera que el vapor recorre un arco de círculo previamente fijado. Dos de los sopladores de hollín son retráctiles y los otros tres son fijos aunque también pueden rotar.
En el frente de la caldera se encuentra el panel con los siguientes instrumentos de medición:
· Un manómetro de presión de vapor del domo.
· Un manómetro de presión de salida del sobrecalentador.
· Un termómetro de salida del sobrecalentador.
· Un indicador de nivel de lectura remota de agua.
· Un medidor de tiraje completo con válvula de cuatro vías.
Este panel es de gran importancia para la operación de la caldera pues nos indica el efecto que tienen las operaciones que se lleven a cabo, sobre el ajuste de los equipos de la misma y avisa sobre ciertos puntos en los que hay que poner atención. El medidor de tiraje puede seleccionarse para leer la depresión en cuatro puntos diferentes al interior de la caldera.
Sobrecalentador
El vapor suministrado al sobrecalentador viene directamente del tubo de salida desde el domo al colector de entrada del sobrecalentador. El vapor pasa luego a través de 18 elementos hacia el colector de salida. La válvula principal, la válvula de seguridad y los medidores de presión y de temperatura del sobrecalentador son conectados a través de tomas independientes desde el colector de salida. Así mismo, un termómetro con termopozo, indica una segunda lectura de la temperatura del vapor a la salida. Hay un total de dos válvulas de drenaje: una en el colector de entrada y otra en el colector de salida. Estas válvulas de drenaje se encuentran en el punto más bajo de los colectores de manera que se pueda efectuar un buen drenaje. El sobrecalentador está inclinado también 20° con respecto a la horizontal.
Bombas
Dos bombas de alimentación de agua se encuentran instaladas en cada caldera Fraser (Towler), teniendo cada una, una capacidad de entre 18 y 19 m3/h para una temperatura de bombeo de 70° y una presión de descarga de alrededor de 24 bar. Las bombas disponen de manómetros para medición de la presión en la descarga. Cada bomba es conducida por un motor de 30 Kw y está capacitada para hacer el 100% del bombeo del agua necesaria para la caldera, operando continuamente, aún en el caso de que la otra bomba se encuentre fuera de servicio.
PROCEDIMIENTO NORMAL DE ARRANQUE DE LA CALDERA.
· Requerimientos preliminares.
Antes de prender fuego en el hogar es necesario chequear los siguientes puntos:
- Que los indicadores correspondientes muestren el nivel de agua correcto
- Que haya disponibilidad continua de agua convenientemente tratada
- Que todas las válvulas de operación se encuentren en buen estado. A este respecto es necesario mencionar especialmente cuatro válvulas:
Válvula principal de vapor a la salida del sobrecalentador. Esta válvula debe encontrarse completamente cerrada.
Válvula de drenaje en el colector de salida del sobrecalentador. Esta válvula debe estar completamente abierta.
Válvulas (2) de venteo de vapor del domo y del tubo de entrada del sobrecalentador, las cuales deben estar completamente abiertas.
- Que las compuertas o dampers de los ventiladores de tiro forzado al frente de la caldera estén abiertas.
- Que el damper de control en la salida de la caldera esté completamente cerrado.
- Que el panel de control de la caldera se encuentre energizado y los siguientes elementos iluminados:
Las cuatro luces de alarma del panel
El indicador remoto de nivel de agua
La alarma de humos
Uno de los controles de modulación debe ser seleccionado
Los instrumentos de registro deben estar prendidos
· Encendido Inicial
El fuego puede ser introducido en el hogar de la caldera, de manera manual utilizando desechos de la palma y pedazos de tela o papel empapados en combustible diesel (nunca con gasolina, la cual es muy inflamable). El fuego debe ser bajo y localizado en el centro de la parrilla a una distancia prudente de las puertas de fuego al frente de la caldera. Una vez se haya establecido el fuego, será necesario prender el ventilador de tiro inducido como sigue:
- El ventilador debe entonces prenderse en el panel de control y dejar que llegue a su máxima velocidad.
- Una vez el ventilador se encuentre a máxima velocidad, se debe abrir el damper de control hasta que la aguja del indicador de tiro en los registradores muestre una presión ligeramente negativa.
Puesto que los elementos del sobrecalentador deben ser protegidos durante el procedimiento de arranque, la válvula de drenaje en el colector de salida del sobrecalentador debe estar completamente abierta. Una vez la presión de vapor se haya elevado suficientemente para despegar desde cero la aguja del manómetro indicador de presión de vapor, entonces habrá suficiente vapor para mantener los elementos del sobrecalentador a una temperatura segura, teniendo un gran cuidado de que en efecto haya salida de vapor por la válvula mencionada.
El hecho de que la válvula de drenaje en el colector de salida del sobrecalentador se encuentre abierta significa que el vapor fluirá a través de los elementos y prevendrá un sobrecalentamiento. Las válvulas de venteo de vapor del domo y del tubo de entrada al sobrecalentador deben ser cerradas tan pronto se vea que el vapor está saliendo por las descargas respectivas.
· Elevación de la presión
La presión dentro de la caldera se irá elevando por el incremento gradual del fuego dentro del hogar. Durante este periodo será necesario hacer ajustes en el damper de control en la salida de la caldera, utilizando el control remoto del damper ubicado en el frente. La apertura de dicho damper se puede determinar mediante el indicador de tiro también colocado en el frente de la caldera.
Cuando la presión de vapor alcance alrededor de la mitad de la presión de trabajo, la válvula de drenaje sobre el colector de salida del sobrecalentador debe ser cerrada parcialmente, para reducir la cantidad de vapor de venteo, lo que permitirá un más rápido ascenso de la presión. Debe hacerse énfasis en que en esta etapa dicha válvula NO puede estar completamente cerrada, pues de lo contrario se le puede causar graves daños a los elementos del sobrecalentador.
Durante el incremento de presión de la caldera será necesario prender varios elementos y hacer un chequeo cuidadoso de otros, así:
- El punto más importante para vigilar es el nivel de agua de la caldera. Es mejor arrancar la caldera con un nivel un poco más bajo del normal (alrededor de 50 mm por debajo del nivel normal de trabajo). Esto es porque el volumen total de agua dentro de la caldera se va a expandir y con seguridad conducirá a una condición de nivel alto (alrededor de 75 mm por encima del nivel normal), aún si el arranque se hace con un nivel bajo. No es necesario drenar el agua para lograr una condición normal de nivel, a menos que dicho nivel se vuelva excesivamente alto. Es improbable que durante esta etapa el nivel del agua en la caldera caiga por debajo del nivel de trabajo hasta que se inicie el suministro de vapor, pero si esto ocurriera, el sistema de alimentación de agua debe encontrarse disponible, para lo cual deben darse los siguientes pasos:
Prender una de las bombas de alimentación.
Asegurarse que se haya seleccionado uno de los contactos de primer nivel bajo de agua. Para este propósito se dispone de un selector en el panel de control.
Hay que asegurarse también que las válvulas en las tuberías de la bomba de alimentación en uso, se encuentren en la posición correcta (esto es abiertas o cerradas según sea el caso). Hay que tener especial cuidado en que las válvulas en conexión con la válvula moduladora de control y la válvula de cheque se encuentren en la posición correcta.
- Otro punto para vigilar durante el período de incremento de la presión es el uso de los ventiladores de tiro forzado, los cuales no deberán utilizarse hasta que haya un flujo razonable de vapor a través de los elementos del sobrecalentador, pero una vez se prendan, la elevación de la presión será más rápida. El ventilador de aire secundario deberá utilizarse con el fin de mantener más limpias las emisiones de gases por la chimenea.
- El cargue inicial de combustible es hecho manualmente, pero llega un momento, durante la elevación de la presión que es necesario utilizar los transportadores para suministrar combustible al hogar.
· Línea principal de vapor
Cuando la presión se encuentre en alrededor de 5 bar, las líneas de vapor principal deben calentarse en la forma siguiente:
- La válvula de drenaje disponible en la línea de vapor justo antes de la válvula de entrada de la turbina debe abrirse. La válvula principal de la caldera debe abrirse alrededor de ¼ de vuelta para permitir el paso de vapor a la línea. Inicialmente, por esta válvula saldrá condensado y luego vapor.
- Cuando la presión de la caldera haya llegado a su nivel normal de trabajo, el sistema estará listo para el suministro de vapor a la planta. Tan pronto como la caldera se haya conectado en línea, la válvula principal se abre completamente y las válvulas de drenaje de tuberías y la del colector de salida del sobrecalentador deben ser cerradas.
PROCEDIMIENTO NORMAL DE PARADA DE LA CALDERA.
Este procedimiento normal se refiere a las paradas durante la noche, después del último turno, o a la parada durante los fines de semana o a cualquier otra parada que no sea hecha por razones de emergencia. Los siguientes pasos deben darse tan pronto se suprima el suministro de vapor desde la caldera:
- Asegurarse que se hayan tomado las medidas para el suministro alternativo de corriente al panel de control de la caldera.
- Abrir la válvula de drenaje en el colector de salida del sobrecalentador y cerrar la válvula principal de vapor.
- Detener el fuego en el hogar, parando los transportadores de combustible y permitiendo el consumo del combustible remanente sobre la parrilla. Esta operación pude acelerarse sacando el combustible sobrante por las puertas de fuego del frente.
- Permitir el descenso de la presión, utilizando la palanca de descarga manual de las válvulas de seguridad, el uso de los sopladores de hollín, la válvula de venteo o cualquier otro método conveniente.
- Abrir completamente las puertas de fuego, las puertas del cenicero y los dampers, con todos los ventiladores funcionando para enfriar el hogar.
- Cuando la presión haya descendido todos los ventiladores y demás motores deben pararse.
Cuando la caldera se va a parar por un periodo corto, el anterior procedimiento debe terminarse una vez la presión haya descendido al 50% de la presión normal de trabajo. Todos los ventiladores deben pararse y todos los dampers y puertas cerrarse para retener lo más que se pueda de calor en las paredes refractarias del hogar. Esto asegurará un arranque más rápido en la siguiente oportunidad en que la caldera deba ponerse en servicio. La caldera entonces, puede desatenderse de manera segura.
Notas:
· Para un periodo corto de parada, la primera vez que se adopte el anterior procedimiento es conveniente hacer una supervisión durante todo el tiempo para asegurarse de que en la medida en que la presión vaya bajando, el nivel de agua no caiga a un punto peligroso. Por ejemplo puede encontrarse necesario elevar el nivel antes de la parada a ¾ de la escala con el fin de compensar la reducción del volumen del agua con la pérdida de calor.
· Para un periodo extenso de parada es importante abrir la válvula de venteo, para prevenir la formación de un vacío interno. Algunas medidas deben tomarse para el cuidado de una caldera inutilizada por un periodo muy largo (referirse al manual).
PROCEDIMIENTO DE PARADA DE EMERGENCIA.
No es posible determinar exactamente que hacer bajo todas las circunstancias en que se requiera una parada de emergencia, pero hay un principio general para recordar y es que la caldera debe ser protegida contra sobrecalentamiento manteniendo su nivel normal de agua y deben ejecutarse todas las acciones necesarias para este objetivo.
1. Tan pronto como la situación de emergencia ocurra, la alimentación de combustible debe detenerse.
2. El suministro de energía al panel de control debe asegurarse.
3. La suspensión rápida de consumo de vapor causará el disparo de las válvulas de seguridad. Se debe actuar en primer lugar sobre la válvula de seguridad a la salida del sobrecalentador y luego sobre la válvula de seguridad del domo.
4. La válvula de drenaje del sobrecalentador debe abrirse y la válvula principal de vapor debe cerrarse. Las dos válvulas se encuentran sobre el colector de salida del sobrecalentador.
5. El fuego debe retirarse de la parrilla tan pronto como se pueda llevar a cabo, de manera razonablemente segura.
6. Todas las puertas de fuego deben abrirse y todos los ventiladores mantenerse funcionando para llevar la máxima cantidad de aire hacia la caldera.
7. Una de las bombas de alimentación de agua debe dejarse en operación y si la entrada de agua al domo fuera insuficiente, la otra bomba debe prenderse.
8. La presión en la caldera se reducirá rápidamente mediante la descarga por las válvulas de seguridad, pero si fuera necesario éstas deben mantenerse abiertas, accionando la palanca manual de alivio hasta un punto por debajo de su nivel normal de cierre.
9. Dependiendo de las circunstancias que llevaron a la emergencia, el enfriamiento del agua debe continuar tanto como sea necesario, pero si fuera posible volver a arrancar de nuevo la caldera dentro de un corto periodo de tiempo, no es deseable enfriar más de lo requerido.
GLOSARIO
Para una mejor comprensión del tema de las calderas se define a continuación una serie de términos comúnmente utilizados en este campo:
· Vapor. El término vapor designa al agua en el estado gaseoso.
· Vapor saturado. Es el vapor que se encuentra en contacto con el agua en proceso de evaporación.
· Vapor recalentado. Es el vapor cuya temperatura es mayor que la del vapor saturado a la misma presión.
· Poder calorífico. Es la cantidad de calor desarrollada por la combustión completa de una unidad de peso de un combustible. Se expresa en Kcal / Kg.
· Poder calorífico inferior. Es el poder calorífico de un combustible incluyendo el contenido original de agua del mismo. En las fibras es de alrededor de 2.700 Kcal/Kg y en las cáscaras es de alrededor de 3.800 Kcal/Kg.
· Poder calorífico superior. Es el poder calorífico de un combustible seco sin tener en cuenta su humedad original. En las fibras es de alrededor de 3500 Kcal/Kg y en las cáscaras es de alrededor de 4500 Kcal/Kg.
· Calor o capacidad específica. Es la cantidad de calor que puede absorber una sustancia por unidad de peso y por cada grado de elevación de su temperatura. El calor específico del agua, por ejemplo, es de 1 Kcal / Kg x ºC.
· Calor de evaporación. Es la cantidad de calor que requiere una sustancia por unidad de peso para pasar del estado líquido al estado gaseoso, a una presión determinada. Para evaporar 1 Kg de agua a una presión de 20 bar se requieren aproximadamente 449 Kcal.
· Presión absoluta. Es la presión ejercida por el vapor, por encima del cero absoluto (que es la situación teórica de vacío perfecto o ausencia total de presión). La presión atmosférica es de 1,013 bar abs a nivel del mar.
· Presión manométrica. Es la presión leída en un manómetro y que representa la presión ejercida por el vapor, por encima de la presión atmosférica. El cero del dial del manómetro equivale entonces a 1,013 bar abs a nivel del mar.
· Transferencia de calor. Es el flujo de calor de una materia de alta temperatura a otra de temperatura menor, cuando se les pone en contacto.