Monitoreo del rendimiento de sistemas de vacío de anillo líquido y chorro de vapor

Los condensadores de gran superficie se utilizan en las centrales eléctricas para reciclar el vapor de escape y mantener el vacío adecuado para el funcionamiento óptimo de la turbina. Las fugas de vacío dentro del condensador aumentan la presión de funcionamiento (lo que se conoce como contrapresión de la turbina), lo que reduce la producción y la eficiencia de la turbina.

Los sistemas de bomba de vacío se utilizan para eliminar la acumulación de aire y gases no condensables dentro del condensador causada por fugas (también conocidas como fugas de aire). La capacidad degradada del sistema de vacío del condensador tendrá el mismo efecto perjudicial sobre el rendimiento del condensador que una fuga excesiva de aire.

Ambos dan como resultado un aumento de la presión del condensador debido a una acumulación regional de aire y gases no condensables que se extienden más allá de la sección de extracción de aire que rodea los tubos que transportan el refrigerante utilizado para condensar el vapor de la turbina. Esta acumulación, conocida como almacenamiento de aire, degrada la transferencia de calor dentro del área.

Normalmente, la curva de rendimiento de diseño del condensador dicta la presión de entrada al sistema de vacío. A medida que se produce almacenamiento de aire debido a una gran fuga de aire o un bajo rendimiento del sistema de la bomba de vacío, el sistema de vacío dictará la presión del condensador. Esto significa que el condensador ya no está funcionando en su curva de desempeño de diseño, lo que puede resultar en una menor eficiencia operativa de la planta, lo que lleva a una menor producción de electricidad.

Esta relación resalta la importancia de monitorear tanto las fugas de aire como la capacidad operativa del sistema de vacío. Un instrumento multisensor ubicado en la línea de extracción de aire entre el condensador y la entrada del sistema de vacío puede diferenciar entre estas dos condiciones al proporcionar una medición directa de la fuga de aire y la capacidad operativa del sistema de vacío. Las mediciones proporcionadas por este instrumento se pueden utilizar para realizar un análisis del rendimiento del sistema de vacío.

Los dos componentes principales utilizados para generar el vacío dentro del sistema de vacío son los eyectores de aire por chorro de vapor (SJAE) y las bombas de vacío de anillo líquido (LRVP). El rendimiento de un SJAE se define por el flujo másico versus la presión absoluta en la entrada de succión. El fabricante proporciona una curva de rendimiento de diseño que muestra la relación esperada entre estos dos parámetros. El rendimiento operativo real se determina evaluando el flujo másico total medido versus la presión absoluta a lo largo del tiempo. Las LRVP son bombas volumétricas y su rendimiento se define por el flujo volumétrico frente a la presión absoluta. La relación entre estos parámetros se muestra en la curva de rendimiento de diseño proporcionada por el fabricante. El rendimiento operativo real de un LRVP se determina evaluando el flujo volumétrico real versus la presión absoluta en la entrada de succión a lo largo del tiempo.

La imagen 1 muestra una evaluación del rendimiento de un eyector de chorro de vapor. Esta evaluación muestra la capacidad operativa medida de un SJAE como puntos de datos coloreados con la curva de rendimiento del fabricante superpuesta en negro. Los puntos de datos medidos están coloreados según una escala de tiempo que revela una influencia en el rendimiento debido a las variaciones estacionales de temperatura. La salida del sistema de vacío sube y baja a lo largo de la curva de rendimiento del fabricante a medida que cambia la presión del condensador. La capacidad SJAE medida en este ejemplo concuerda estrechamente con la curva de diseño.

Los sistemas de bombas de vacío generalmente se instalan como un conjunto de capacidad de repuesto del 100%, donde uno de los SJAE o LRVP está diseñado para estar en servicio mientras que el otro está fuera de servicio como repuesto de reserva aislado. Con esta configuración, se puede lograr una evaluación de rendimiento rápida y sencilla realizando una comparación lado a lado de la capacidad operativa para identificar una bomba degradada. La prueba de comparación de capacidad de la bomba se realiza haciendo funcionar una bomba a la vez y luego comparando las capacidades entre sí y con la curva de rendimiento del fabricante. Esto se puede hacer para los jets SJAE observando el flujo másico (libras por hora [lbs/hr]) versus la presión, y para los LRVP observando el flujo volumétrico (pies cúbicos reales por minuto [ACFM]) versus la presión.

Mientras se realiza la prueba, la carga de la unidad generadora debe permanecer estable dentro de ±2% durante la prueba, de modo que se pueda programar al menos una hora de carga estable para la prueba. Las condiciones estables se mantienen durante al menos 30 minutos para dar tiempo suficiente para que se estabilicen los parámetros del proceso. El flujo volumétrico real (o flujo másico para chorros de vapor) y las lecturas de presión de cada bomba se comparan entre sí y con las curvas de rendimiento del fabricante para establecer el rendimiento de la bomba y evaluar si está degradado.

La imagen 2 ilustra los datos operativos reales medidos durante una comparación lado a lado de dos LRVP. Los parámetros operativos medidos se muestran para el flujo volumétrico (ACFM) y la presión de entrada de la bomba (“Hga”). Se notó una diferencia de presión de 0.2” Hga al operar las diferentes bombas, lo que llevó a creer que una de las bombas necesitaba mantenimiento. Al realizar una prueba de comparación de capacidad de la bomba y observar los parámetros medidos, es inmediatamente evidente que la bomba A está extrayendo menos de un tercio del flujo volumétrico (ACFM) de la bomba B.

La relación de masa agua-aire es un parámetro intrínseco que se puede utilizar para controlar la capacidad de una bomba en relación con la cantidad de aire que entra. El valor de la relación de masa se determina dividiendo la masa del flujo de vapor de agua por la masa del aire que entra. Se produce un valor de relación de masa bajo cuando la capacidad de la bomba es baja en relación con la entrada de aire. La capacidad de la bomba, medida en caudal másico para SJAE, o caudal volumétrico para LRVP, depende de la presión de entrada de la bomba. Por lo tanto, una presión más baja del condensador dará como resultado una capacidad de bomba baja.

Por esta razón, una determinada fuga de aire puede provocar un mayor almacenamiento de aire y un menor rendimiento del condensador en condiciones de baja presión absoluta, como durante el funcionamiento con carga baja o en invierno, cuando las temperaturas del agua de refrigeración son bajas. Por ejemplo, una fuga de 20 pies cúbicos estándar por minuto (SCFM) puede no causar un exceso de contrapresión a una temperatura de entrada del agua de 80 F, pero puede hacerlo a 60 F. En otras palabras, la relación de masa agua-aire disminuirá para un período determinado. cantidad de aire que entra a medida que la presión del condensador disminuye debido a la menor capacidad del extractor durante los períodos en que las temperaturas del agua de entrada en circulación son bajas. La capacidad degradada de la bomba de vacío también dará como resultado una baja relación de masa agua-aire.

La imagen 3 muestra la fuga de aire, el flujo másico y la relación de masa agua-aire para el conjunto de bomba analizado anteriormente y utilizado en la prueba de comparación de capacidad. Con la bomba A de bajo rendimiento en servicio, la relación de masa agua-aire es ~1. Cuando la bomba B se pone en servicio, la fuga de aire no cambia, pero el aumento de la capacidad de la bomba provoca un mayor flujo de vapor de agua.

El aumento del flujo másico de vapor de agua da como resultado un valor más alto (es decir, mejorado) para la relación másica agua-aire. Estos valores, y por tanto el rendimiento del sistema de vacío, se pueden controlar en tiempo real utilizando los datos proporcionados por el instrumento multisensor mencionado anteriormente.

Históricamente, las pruebas de capacidad de SJAE y LRVP requerían una prueba programada durante una parada de mantenimiento de la unidad y el apoyo de un proveedor de servicios del fabricante con estructuras de entrada de escape especialmente ensambladas, como árboles de orificios, lo que puede ser costoso y llevar mucho tiempo. La capacidad de realizar una evaluación continua en línea de la capacidad y el rendimiento de SJAE y LRVP proporciona beneficios en cuanto a ahorro de costos y mejora del rendimiento general de la planta.

Mitchell R. Morrison es gerente de ventas de cuentas en Intek. Tiene una Licenciatura en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Akron y un MBA de la Universidad de Otterbein. Para obtener más información, visite www.intekflow.com/condenser-air-in-leak.