Uso de válvulas de estrangulamiento para purga y otras aplicaciones de centrales eléctricas

Comprender qué válvula usar 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 de vapor es la purga, la modulación o "estrangulación" 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 estrangulamiento, 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 "tracción de cables", un término derivado porque se ven como cables. Como resultado del estiramiento de cables, 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 crea surcos llamados "tracción de cables", un término derivado porque se ven como cables (Figura 1). Como resultado del estiramiento de cables, 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 bífida y causar daños y problemas de control de flujo aún más significativos (Figura 2).

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

Para tratar de compensar las limitaciones de las válvulas de globo estándar, algunos operadores de planta instalarán dos válvulas de globo o una válvula de bola y una válvula de globo en línea, una de las cuales brinda aislamiento positivo mientras que la otra actúa como una válvula de estrangulamiento "de sacrificio" ( Figura 3). Sin embargo, este enfoque es una forma incómoda y costosa de tratar de lograr el estrangulamiento con válvulas de globo estándar. Es una solución improvisada que requiere más materiales, más soldaduras, más reparaciones, más reemplazos y más gastos de los necesarios.

3. Engorroso y costoso. La instalación de dos válvulas de globo en línea, una de las cuales proporciona un aislamiento positivo mientras que la otra actúa como una válvula de estrangulamiento "de sacrificio", es una forma costosa de tratar de lograr el estrangulamiento con válvulas de globo estándar. Cortesía: Conval

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

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

El orificio está dimensionado para mantener la velocidad del fluido a través del asiento por debajo de los niveles dañinos. Como resultado, es mucho menos probable que el asiento se desgaste; si lo hace y cuando lo haga, puede ser reemplazado fácilmente. El estiramiento de alambre se elimina de manera más efectiva. 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 la tubería aguas abajo. Si las condiciones de la vida real se calculan mal o cambian, el conjunto de vástago y venturi de la válvula reguladora se puede redimensionar para que coincida con la nueva condición.

Por lo general, las válvulas de estrangulamiento están disponibles en acero al carbono SA 105, acero aleado forjado SA 182-F22, SA 182-F91 y F92, SA 182-F316 y otros materiales, en clases de presión de ASME 900 a 4500. Las válvulas de estrangulamiento automatizadas pueden ser accionado 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 se opera una válvula de purga 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 la construcción hacen que la válvula de estrangulamiento sea casi indestructible, incluso en las condiciones más duras. La nariz dosificadora del disco permanece en el cartucho del asiento del orificio reemplazable y bloquea los flujos destructivos de alta velocidad hasta que la válvula se abre lo suficiente como para que las velocidades no dañen la superficie del asiento. Por lo tanto, las válvulas de estrangulamiento se especifican e instalan cada vez más en muchos tipos de centrales eléctricas de vapor, desde centrales nucleares hasta carbón y gas natural, incluidas las centrales generadoras de vapor de recuperación de calor de ciclo combinado. Además de la purga, siguen algunas otras aplicaciones comunes.

Control químico del tambor de vapor de sólidos disueltos totales (TDS). De acuerdo con 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 disueltos totales y suspendidos (TDS) a límites aceptables, periódicamente se descarga o se purga agua de la caldera.

La purga de lodo o 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 depositan en el agua de la caldera y forman un lodo pesado. La purga superficial o desnatadora está diseñada para eliminar los sólidos disueltos que se concentran cerca de la superficie del líquido. La purga de la superficie es a menudo 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 normalmente oscilan entre el 4 % y el 8 % de la tasa de flujo del agua de alimentación de la caldera, pero pueden llegar al 10 % cuando el agua de reposición tiene un alto contenido de sólidos. Una purga insuficiente puede llevar al arrastre del agua de la caldera al vapor oa la formación de depósitos. La purga excesiva desperdiciará energía, agua y productos químicos. Por lo tanto, tener un control de purga preciso es importante para una operación eficiente de la planta.

5. Curva de flujo. Aquí se muestra la curva de flujo de una válvula de estrangulamiento, 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 basada en varios parámetros del sistema. Cortesía: Conval

Si se examina la curva de flujo de una válvula de estrangulamiento (Figura 5), ​​se observa una banda relativamente plana en aproximadamente el primer 10 % de la actuación, ya sea automática o manual. Esta es el área donde la nariz 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 se puede cerrar de forma segura después de muchos ciclos.

Los componentes portátiles o reemplazables están fabricados con materiales muy duros para prolongar la vida útil de estas piezas. La aleación Stellite 6 utilizada para el conjunto de la punta del disco tiene una dureza de 50–58 HRc. La dureza del material proporciona una superficie duradera que es resistente al daño. El componente asiento-orificio-venturi está hecho de SS 440C. Cuando está recocido, el 440C tiene una dureza de 60 HRc, lo que permite que el componente tenga un ciclo de vida muy largo. El venturi mantiene la ubicación de la vena contracta dentro de la válvula, por lo que la recuperación se lleva a cabo en la válvula mientras se protege la integridad de la tubería aguas abajo.

6. Cruce. Dos válvulas de estrangulamiento sirven como cruce entre dos tambores de vapor. Operado con actuadores controlados, el sistema purga el vapor del tambor operativo al tambor que sube para precalentar las superficies y el contenido del tambor. Esto permite que la planta de energía arranque el segundo tambor mucho más rápido, ahorrando tiempo y dinero. Cortesía: Conval

Calentamiento de inicio rápido. En la Figura 6, dos válvulas de estrangulamiento sirven como cruce entre dos tambores de vapor. Operado con actuadores controlados, el sistema purga el vapor del tambor operativo al tambor que sube para precalentar las superficies y el contenido del tambor. Esto permite que la planta de energía arranque el segundo tambor mucho más rápido, ahorrando tiempo y dinero.

Bypass de agua de alimentación. Las válvulas de estrangulamiento prolongan la vida útil de los internos de la jaula en las válvulas reguladoras de agua de alimentación. Normalmente, los internos de la jaula estarían expuestos a agua de alimentación de alta velocidad durante la apertura inicial de la válvula de 0 a 20 %, lo que daña los costosos componentes de los internos. Por el contrario, la válvula reguladora está configurada para desviar 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 estar expuesta a velocidades dañinas.

Desagües de asientos. Las válvulas de estrangulamiento accionadas que se usan como drenajes de asiento de vapor principales arriba/abajo brindan un servicio confiable en condiciones muy duras. En un caso, las condiciones de 3650 psig a 1007F destruyeron las válvulas anteriores dentro de un programa de interrupción de dos años. Sin embargo, las válvulas de estrangulamiento han durado más de 20 años y se mantienen en cada interrupción, que ahora se lleva a cabo en un ciclo de tres años. El mantenimiento preventivo incluye el reemplazo del conjunto de la nariz del disco y el venturi del orificio del asiento. La longevidad de las válvulas de estrangulamiento puede extenderse integrando un conjunto Whisperjet en la salida de la válvula. Esta modificación prolonga la vida útil de los internos de la válvula y ayuda a evitar daños en las tuberías.

Válvulas de muestreo de efluentes. Otra aplicación para la válvula de estrangulamiento es en 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 con Nitronic 60.

Aislamiento del indicador visual. 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 control de los niveles. Las válvulas de estrangulamiento son una alternativa superior para esta aplicación.

Al evaluar si una válvula de estrangulamiento es adecuada para su aplicación, tenga en cuenta que una válvula de estrangulamiento es un dispositivo de estrangulación que proporciona un control preciso en condiciones específicas de temperatura y presión. Una válvula de estrangulamiento 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 de estrangulamiento son una opción inteligente a considerar. ■

—Michael Glavin es vicepresidente de Ingeniería; Glen Guernsey es Gerente Regional de South Central; Michael Hendrick es vicepresidente de Ventas y Marketing Globales; Scott Hilke es gerente regional occidental; y Jeremiah O'Callaghan es ingeniero sénior en Conval, un fabricante de válvulas para servicio severo con sede en Enfield, Connecticut.

Comparte este artículo

Más noticias de O&M