Uso de válvulas estranguladoras para purgas y otras aplicaciones de centrales eléctricas

Comprender qué válvula usar y en qué aplicación es esencial para operar una planta de energía de vapor de la manera más eficiente y rentable posible. Por ejemplo, un paso crítico en la generación de energía a vapor es la purga, la modulación o “estrangulamiento” del caudal de agua que se convierte en vapor. Tradicionalmente, muchos especificadores y operadores de centrales eléctricas utilizan válvulas de globo estándar para lograr esta acción de estrangulación, pero la realidad es que las válvulas de globo estándar no están diseñadas ni fabricadas para soportar los rigores extremos de la estrangulación.

1. Genial, pero no en el buen sentido. Con el tiempo, la alta velocidad a través del asiento crea ranuras en las válvulas de globo estándar llamadas "trefilado", un término derivado porque parecen cables. Como resultado del trefilado, las válvulas de globo no sellan cuando están cerradas, lo que provoca fugas. Cortesía: Conval

Cuanto menor sea el espacio entre el asiento y el disco, más rápido será el desgaste. Con el tiempo, la alta velocidad a través del asiento forma ranuras llamadas "trefilado", un término derivado porque parecen cables (Figura 1). Como resultado del tirón del cable, la válvula de globo no sellará cuando esté cerrada, lo que provocará fugas. Llevado al extremo, el trefilado puede devorar el disco como una lengua bifurcada y causar daños aún más importantes y problemas de control de flujo (Figura 2).

2. Problemático. Llevado al extremo, el trefilado puede devorar el disco, causando daños aún más importantes y problemas de control de flujo. Cortesía: Conval

Para tratar de compensar las limitaciones de las válvulas de globo estándar, algunos operadores de plantas instalan dos válvulas de globo o una válvula de bola y una válvula de globo en línea, una de las cuales proporciona aislamiento positivo mientras que la otra actúa como una válvula estranguladora "de sacrificio" ( Figura 3). Sin embargo, este enfoque es una forma complicada y costosa de intentar lograr la estrangulación con válvulas de globo estándar. Es una solución improvisada que requiere más materiales, más soldaduras, más reparaciones, más reposiciones y más gastos de los necesarios.

3. Engorroso y caro. Instalar dos válvulas de globo en línea, una de las cuales proporciona un aislamiento positivo mientras que la otra actúa como una válvula estranguladora "de sacrificio", es una forma costosa de intentar lograr la estrangulación con válvulas de globo estándar. Cortesía: Conval

Con las válvulas de globo estándar, si las condiciones reales se calculan mal o cambian, no se puede cambiar el tamaño de la válvula. Por el contrario, una válvula de estrangulación está diseñada y fabricada específicamente para soportar los rigores extremos del proceso de estrangulación, proporcionando así un control de flujo repetible y un cierre confiable (Figura 4). El exclusivo diseño de disco de aguja garantiza que el límite de presión se selle con el diámetro más pequeño posible para garantizar la máxima capacidad de sellado.

4. Funcionamiento interno. A la izquierda hay una válvula reguladora de alto rendimiento Conval. A la derecha hay un diagrama en corte de la válvula que muestra sus componentes internos. Cortesía: Conval

El orificio tiene el tamaño adecuado para mantener la velocidad del fluido a través del asiento por debajo de niveles dañinos. Como resultado, es mucho menos probable que el asiento se desgaste; Si lo hace, puede ser reemplazado fácilmente. El trefilado se elimina de forma más eficaz. El conjunto del vástago está acoplado al orificio para un control adecuado. El ángulo del orificio de salida está diseñado para minimizar la erosión y el ruido de las tuberías aguas abajo. Si las condiciones de la vida real se calculan mal o cambian, se puede cambiar el tamaño del conjunto de vástago y venturi de la válvula reguladora para que coincida con la nueva condición.

Normalmente, las válvulas de estrangulación están disponibles en acero al carbono SA 105, acero de aleación forjado SA 182-F22, SA 182-F91 y F92, SA 182-F316 y otros materiales, en clases de presión desde ASME 900 hasta 4500. Las válvulas de estrangulación automatizadas pueden ser accionados por aire, motor o hidráulicamente.

Los avances recientes en la química del agua de alimentación resaltan aún más el valor agregado de la vida útil con una opción de cambio de tamaño del orificio venturi reemplazable. En términos generales, si una válvula de purga se opera con menos del 30% de apertura, se puede cambiar el tamaño del orificio para prolongar la vida útil de la válvula.

El concepto de doble orificio y los materiales utilizados en su construcción hacen que la válvula de estrangulación sea casi indestructible, incluso en las condiciones más duras. La punta dosificadora del disco permanece en el cartucho reemplazable del asiento del orificio y bloquea los flujos destructivos de alta velocidad hasta que la válvula esté lo suficientemente abierta como para que las velocidades no dañen la superficie del asiento. Por lo tanto, las válvulas de estrangulación se especifican e instalan cada vez más en muchos tipos de centrales eléctricas de vapor, desde las nucleares hasta las de carbón y gas natural, incluidas las plantas generadoras de vapor con recuperación de calor de ciclo combinado. Además de la purga, le siguen algunas otras aplicaciones comunes.

Control químico del tambor de vapor de sólidos disueltos totales (TDS). Según la Hoja de consejos sobre vapor n.° 9 de la Oficina de Fabricación Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU., a medida que el agua se evapora en el tambor de vapor de la caldera, los sólidos presentes en el agua de alimentación quedan atrás. Los sólidos en suspensión forman lodos o sedimentos en la caldera, lo que degrada la transferencia de calor. Los sólidos disueltos promueven la formación de espuma y el arrastre del agua de la caldera al vapor. Para reducir los niveles de sólidos suspendidos y totales disueltos (TDS) a límites aceptables, periódicamente se descarga o purga agua de la caldera.

La purga de lodo o del fondo suele ser un procedimiento manual que se realiza durante unos segundos en intervalos de varias horas. Está diseñado para eliminar los sólidos en suspensión que se sedimentan en el agua de la caldera y forman un lodo pesado. La purga de superficie o desnatación está diseñada para eliminar los sólidos disueltos que se concentran cerca de la superficie del líquido. La purga de superficies suele ser un proceso continuo.

La tasa de purga óptima está determinada por varios factores, incluido el tipo de caldera, la presión de funcionamiento, el tratamiento del agua y la calidad del agua de reposición. Las tasas de purga generalmente oscilan entre el 4% y el 8% del caudal de agua de alimentación de la caldera, pero pueden llegar hasta el 10% cuando el agua de reposición tiene un alto contenido de sólidos. Una purga insuficiente puede provocar el arrastre de agua de la caldera al vapor o la formación de depósitos. Una purga excesiva desperdiciará energía, agua y productos químicos. Por lo tanto, tener un control preciso de la purga es importante para el funcionamiento eficiente de la planta.

5. Curva de flujo. Aquí se muestra la curva de flujo de una válvula reguladora, ajustada para varios porcentajes de "válvula abierta". Cv es el coeficiente de flujo, una consideración de diseño importante al dimensionar y seleccionar válvulas para sistemas; Básicamente proporciona una medida de la capacidad de una válvula en función de varios parámetros del sistema. Cortesía: Conval

Si se examina la curva de flujo de una válvula reguladora (Figura 5), ​​se nota una banda relativamente plana en aproximadamente el primer 10% de actuación, ya sea automática o manual. Esta es el área donde la punta dosificadora permanece en el orificio y protege el asiento contra daños. Después de pasar la banda muerta, la válvula permite el control lineal del flujo y la bajada. Este diseño minimiza el daño a las superficies de sellado de la válvula, por lo que la válvula puede cerrarse de forma segura después de muchos ciclos.

Los componentes desgastables o reemplazables están construidos con materiales muy duros para prolongar la vida útil de estas piezas. La aleación Stellite 6 utilizada para el conjunto de punta de disco tiene una dureza nominal de 50 a 58 HRc. La dureza del material proporciona una superficie duradera y resistente a daños. El componente asiento-orificio-venturi está hecho de SS 440C. Cuando está recocido, el 440C tiene una dureza de 60 HRc, lo que permite al componente un ciclo de vida muy largo. El venturi mantiene la ubicación de la vena contracta dentro de la válvula, por lo que la recuperación tiene lugar en la válvula y al mismo tiempo protege la integridad de las tuberías aguas abajo.

6. Cruce. Dos válvulas estranguladoras sirven como cruce entre dos tambores de vapor. Operado con actuadores controlados, el sistema purga vapor desde el tambor en funcionamiento al tambor, subiendo para precalentar las superficies y el contenido del tambor. Esto permite que la central eléctrica ponga en marcha el segundo tambor mucho más rápido, ahorrando tiempo y dinero. Cortesía: Conval

Calentamiento de inicio rápido. En la Figura 6, dos válvulas reguladoras sirven como cruce entre dos tambores de vapor. Operado con actuadores controlados, el sistema purga vapor desde el tambor en funcionamiento al tambor, subiendo para precalentar las superficies y el contenido del tambor. Esto permite que la central eléctrica ponga en marcha el segundo tambor mucho más rápido, ahorrando tiempo y dinero.

Bypass de agua de alimentación. Las válvulas estranguladoras extienden la vida útil de los internos de jaula en las válvulas reguladoras de agua de alimentación. Normalmente, los internos de la jaula estarían expuestos al agua de alimentación de alta velocidad durante la apertura inicial de 0 a 20 % de la válvula, lo que daña los costosos componentes del internos. Por el contrario, la válvula reguladora está configurada para evitar estos flujos dañinos hasta que la demanda de carga sea lo suficientemente alta como para cambiar a la válvula reguladora cuando esté lo suficientemente abierta como para no quedar expuesta a velocidades dañinas.

Drenajes de asiento. Las válvulas de estrangulación accionadas utilizadas como drenajes del asiento de vapor principal arriba/debajo brindan un servicio confiable en condiciones muy duras. En un caso, las condiciones de 3650 psig a 1007 °F destruyeron válvulas anteriores dentro de un cronograma de interrupción de dos años. Sin embargo, las válvulas de estrangulación han durado más de 20 años y se les da mantenimiento en cada parada, que ahora se realiza en un ciclo de tres años. El mantenimiento preventivo incluye el reemplazo del conjunto de punta de disco y asiento-orificio-venturi. La longevidad de las válvulas de estrangulación se puede ampliar integrando un conjunto Whisperjet en la salida de la válvula. Esta modificación extiende la vida útil de los internos de la válvula y ayuda a prevenir cualquier daño a las tuberías.

Válvulas de muestreo de efluentes. Otra aplicación de la válvula reguladora son las estaciones de muestreo de efluentes del hidrocraqueador. La válvula de muestreo está hecha de SS347 con un yugo de SS316. Otros materiales no estándar incluyen Ultimet para asiento-orificio-venturi y disco-nariz. La potencia y el capó están fabricados con Nitronic 50 y el asiento trasero está fabricado con Nitronic 60.

Aislamiento de mirilla. Por lo general, se utilizan válvulas de patrón angular, pero a menudo se dañan al estrangular el vapor o el fluido en un tubo u otro dispositivo, lo que provoca fugas y dificulta el monitoreo de los niveles. Las válvulas estranguladoras son una alternativa superior para esta aplicación.

Al evaluar si una válvula reguladora es apropiada para su aplicación, tenga en cuenta que una válvula reguladora es un dispositivo de estrangulamiento que proporciona un control preciso en condiciones específicas de temperatura y presión. Una válvula estranguladora no es una válvula de control en el sentido de que no controla la presión aguas abajo. Para la mayoría de las aplicaciones de purga y muchas otras, las válvulas estranguladoras son una opción inteligente a considerar. ■

—Michael Glavin es vicepresidente de Ingeniería; Glen Guernsey es Gerente Regional Centro Sur; Michael Hendrick es vicepresidente de marketing y ventas globales; Scott Hilke es Gerente Regional Occidental; y Jeremiah O'Callaghan es ingeniero senior de Conval, un fabricante de válvulas para servicios severos con sede en Enfield, Connecticut.

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