ES2307493T3 - Generador de vapor calefaccionado con combustibles fosil. - Google Patents
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Abstract
Generador de vapor (2) con un espacio de combustión que presenta, al menos, una primera y una segunda cámara de combustión (4, 5), y la primera y la segunda cámara de combustión (4, 5) presentan, respectivamente, una cantidad de quemadores (30) para combustible fósil (B) y están configuradas para una dirección de corriente principal aproximadamente horizontal (24) del gas para calefacción (H), asimismo, la primera cámara de combustión (4) y la segunda cámara de combustión (5) desembocan en un paso de gas horizontal (6) común preconectado a un paso de gas vertical (8) del lado del gas para calefacción, asimismo, una cantidad de quemadores (30) están dispuestos respectivamente en una pared frontal (9) de la primera cámara de combustión (4) y en una pared frontal (9) de la segunda cámara de combustión (5), caracterizado porque el largo (L) de la primera cámara de combustión (4) y de la segunda cámara de combustión (5), definido por la distancia de la pared frontal (9) de la primera cámara de combustión (4) y de la pared frontal (9) de la segunda cámara de combustión (5) hasta el área de ingreso (32) del paso de gas horizontal (6), es al menos del mismo largo que el largo de combustión del combustible (B) en el funcionamiento con plena carga del generador de vapor (2).
Description
Generador de vapor calefaccionado con
combustible fósil.
La invención comprende un generador de vapor con
una primera y una segunda cámara de combustión que presentan,
respectivamente, una cantidad de quemadores para combustible fósil,
asimismo, la primera cámara de combustión y la segunda cámara de
combustión están configuradas para una dirección de corriente
principal aproximadamente horizontal del gas de combustión,
asimismo, la primera cámara de combustión y la segunda cámara de
combustión desembocan en un paso de gas horizontal común
preconectado a un paso de gas vertical del lado del gas para
calefacción.
En una planta de una central eléctrica con un
generador de vapor, se utiliza la energía interna de un combustible
para la evaporación de un medio fluido en el generador de vapor. El
generador de vapor presenta tubos de evaporación para la
evaporación del medio fluido, la calefacción de aquellos produce la
evaporación del medio fluido conducido por ellos. El vapor
disponible gracias al generador de vapor, a su vez, puede estar
previsto, por ejemplo, para un proceso externo conectado o también
para el accionamiento de una turbina de gas. Si el vapor acciona la
turbina de vapor, a través del árbol de la turbina se acciona
usualmente un generador o una máquina operadora. En el caso de un
generador, la corriente generada a través del generador puede estar
prevista para la alimentación de una red de interconexión y/o de
islas.
El generador de vapor puede, a su vez, estar
configurado como un generador de vapor continuo. Gracias al ensayo
"Verdampferkonzepte für Benson-Dampferzeuger"
("Conceptos sobre evaporadores") de J. Franke, W. Köhler y E.
Wittchow, publicado en VGB Kraftwerkstechnik (técnicas de centrales
eléctricas) 73 (1993), cuaderno 4, págs. 352-360,
se conoce un generador de vapor continuo. En el caso de un generador
de vapor continuo, la calefacción de los tubos evaporatorios
previstos como tubos de evaporación produce una evaporación del
medio fluido en los tubos evaporatorios en un único paso.
Los generadores de vapor calefaccionados con
combustible fósil usualmente están configurados para un determinado
tipo y calidad de combustible y para un área de rendimiento
determinada. Esto significa que la cámara de combustión del
generador de vapor está adaptada en sus dimensiones principales, es
decir, en el largo, el ancho y la altura, a las características de
combustión y de ceniza del combustible predeterminado y al área de
rendimiento predeterminada. Por ello, cada generador de vapor
presenta, con su combustible y área de rendimiento asignados, un
diseño individual de la cámara de combustión en relación con las
dimensiones principales.
Si una cámara de combustión de un generador de
vapor debe ser concebida nuevamente, por ejemplo, para una nueva
área de rendimiento y/o un combustible de otro tipo o calidad,
entonces se puede acudir a la documentación de los planos de los
generadores de vapor ya existentes. Mediante la documentación se
lleva a cabo, usualmente, una adaptación de las dimensiones
principales de la cámara de combustión a las exigencias de un
generador de vapor nuevo por diseñar. Sin embargo, a pesar de esta
medida simplificada, el diseño de un generador de vapor para nuevas
condiciones generales predeterminadas, aún está unida a un costo
constructivo comparativamente elevado, a causa de la complejidad de
los sistemas subyacentes. Esto vale, especialmente, cuando el
respectivo generador de vapor debe presentar un rendimiento total
especialmente elevado.
Los generadores de vapor continuo se ejecutan
usualmente con una cámara de combustión de construcción vertical.
Esto significa que la cámara de combustión está configurada en
sentido aproximadamente vertical para el pasaje del medio de caldeo
o gas de calefacción. Del lado del gas de calefacción de la cámara
de combustión puede estar posconectado, a su vez, un paso de gas
horizontal, asimismo, en el paso de la cámara de combustión al paso
de gas horizontal se lleva a cabo una desviación del gas de
calefacción en una dirección de flujo aproximadamente horizontal.
Sin embargo, a causa de las modificaciones de longitud de la cámara
de combustión, motivadas por la temperatura, la cámara de
combustión requiere, en general, una estructura de la cual pende la
cámara de combustión. Esto genera un esfuerzo técnico considerable
en la elaboración y el montaje del generador de vapor continuo, que
es aumenta proporcionalmente a la altura de construcción del
generador de vapor continuo.
A diferencia de ello, una estructura elaborada
con un esfuerzo técnico comparativamente menor puede ir acompañada
de una altura de construcción del generador de vapor bastante
reducida. Un concepto especialmente simple para un generador de
vapor construido modularmente lo ofrece, por ello, un espacio de
combustión con una construcción horizontal, con una primera y una
segunda cámara de combustión que están configuradas para una
dirección de corriente principal del gas de calefacción
aproximadamente horizontal, asimismo, la primera cámara de
combustión y la segunda cámara de combustión desembocan en un paso
de gas horizontal común precontectado a un paso de gas vertical del
lado del gas para calefacción. A su vez, los quemadores están
dispuestos en la pared frontal de la primera cámara de combustión y
en la pared frontal de la segunda cámara de combustión, es decir, en
aquella pared de exterior de la primera o segunda cámara de
combustión opuesta a la abertura de salida del paso de gas
horizontal, y están dispuestos, tanto en la primera como así también
en la segunda cámara de combustión, a la altura del paso de gas
horizontal en la pared de la cámara de combustión. De este modo,
durante el funcionamiento del generador de vapor, ambas cámaras de
combustión son atravesadas por el gas de calefacción en dirección
de la corriente principal aproximadamente horizontal. Tal generador
de vapor se conoce por la memoria AT 376 026 B.
\newpage
La presente invención tiene como objetivo
presentar un generador de vapor de este tipo, en el cual se
mantengan especialmente bajos los daños materiales y el
ensuciamiento indeseado del paso de gas horizontal, por ejemplo, a
causa de la alimentación con ceniza fundida a una temperatura
elevada. Este objetivo se logra, acorde a la invención, dado que el
largo L de la primera cámara de combustión y de la segunda cámara de
combustión, definido por la distancia de la pared frontal hasta el
área de ingreso del paso de gas horizontal, es al menos del mismo
largo que el largo de combustión del combustible en el
funcionamiento con plena carga del generador de vapor. Este largo
horizontal L de la primera cámara de combustión y de la segunda
cámara de combustión, en general, es mayor que la altura de la
primera o la segunda cámara de combustión, medida desde el borde
superior del embudo hasta el techo de la cámara de combustión.
El generador de vapor es, de este modo,
adaptable al largo de combustión del combustible. Se entiende, bajo
la denominación largo de combustión del combustible, la velocidad
del gas de calefacción en sentido horizontal a una temperatura del
gas de calefacción media, multiplicada por el tiempo de combustión
t_{A} del combustible. El largo de combustión máximo para cada
generador de vapor se obtiene, a su vez, en el caso de la
vaporización específica del generador de vapor con carga plena, el
denominado funcionamiento con plena carga del generador de vapor. A
su vez, el tiempo de combustión t_{A} es el tiempo que necesita,
por ejemplo, un grano de polvo de carbón de tamaño mediano, para
consumirse completamente a una determinada temperatura media del gas
de calefacción.
Para un aprovechamiento adecuado de la
temperatura de combustión, el largo L (indicado en m.) de la primera
o de la segunda cámara de combustión está seleccionado en función
del valor BMCR (indicado en kg/s.), de la cantidad N de cámaras de
combustión, del tiempo de combustión t_{A} (indicado en s.) del
combustible y de la temperatura de salida T_{BRK} (indicada en
ºC) del gas para calefacción de las cámaras de combustión. BMCR son
las siglas en inglés de "boiler maximum continuous rating", y
es un término internacional usualmente utilizado para el máximo
rendimiento constante de un generador de vapor. Esto también
corresponde al rendimiento del diseño, es decir, al rendimiento del
generador de vapor durante el funcionamiento con plena carga. A su
vez, en el caso del valor dado de BMCR W y la cantidad N de cámaras
de combustión dadas para el largo L de la primera y la segunda
cámara de combustión, rige aproximadamente el mayor valor de ambas
funciones (1) y (2):
con
C1 = 8 m/s y
C2 = 0,0057 m/kg y
C3 = -1,905 \cdot 10-4 (m
\cdot s)/(kgºK) y
C4 = 0,286 (s \cdot m)/kg y
C5 = 3 \cdot 10-4
m/(ºK)^{2} y
C6 = -0,842 m/ºK y
C7 = 603,41 m y
C8 = 273,15 K
Bajo "aproximadamente" se debe entender, en
este caso, una desviación aceptable del valor definido por la
función respectiva, de alrededor de +20%/-10%.
La pared frontal de la primera cámara de
combustión y la pared frontal de la segunda cámara de combustión,
así como las paredes laterales de la primera o segunda cámara de
combustión, del paso de gas horizontal y/o del paso de gas
vertical, están configuradas, ventajosamente, por tubos evaporadores
o evaporatorios soldados entre sí herméticos al gas, dispuestos
verticalmente, a su vez, a una cantidad de los tubos evaporadores o
evaporatorios se les puede suministrar paralelamente medio
fluido.
Para una transmisión de calor especialmente
buena del calor de la primera y la segunda cámara de combustión, al
medio fluido conducido por el respectivo tubo de evaporación, una
cantidad de los tubos de evaporación presenta en su cara interna,
ventajosamente, nervaduras que conforman un filete múltiple. A su
vez, ventajosamente, un ángulo de inclinación (\alpha) entre el
nivel vertical al eje del tubo y los flancos de las nervaduras
dispuestas en la cara interna del tubo, es menor a 60º,
preferentemente, menor a 55º.
Puesto que en un tubo de evaporación configurado
como tubo de evaporación calefaccionado sin nervaduras internas, un
denominado tubo liso, a partir de cierta proporción de vapor no
puede mantener ya la humidificación de la pared del tubo requerida
para una transmisión del calor especialmente buena. A falta de
humidificación puede presentarse una pared del tubo seca en partes.
El paso a una pared del tubo seca de ese tipo provoca una crisis en
la transmisión del calor, con un comportamiento de transmisión de
calor desmejorado, de modo que, en general, las temperaturas de la
pared del tubo aumentan considerablemente en este punto. En un tubo
con nervaduras internas, en comparación con un tubo liso, esta
crisis de la transmisión del calor recién se hace presente ante una
proporción de masa de vapor > 0,9, es decir, poco antes del final
de la evaporación. Esto tiene su origen en la torsión que sufre la
corriente a través de las nervaduras en espiral. A causa de la
fuerza centrífuga diferente se separa el agua de la proporción de
vapor y se presiona contra la pared del tubo. De ese modo, se
mantiene la humidificación de la pared del tubo incluso ante
proporciones de vapor elevadas, de modo que en el punto de la
crisis de la transmisión de calor ya se presentan velocidades de
corriente elevadas. Esto provoca, a pesar de la crisis de
transmisión de calor, un pasaje de calor relativamente bueno y, como
consecuencia, temperaturas bajas de la pared del tubo.
Una cantidad de los tubos de evaporación de la
cámara de combustión presenta, ventajosamente, medios para la
reducción del paso del medio fluido. Ha demostrado ser especialmente
favorable, a su vez, que los medios estén configurado como
dispositivos estranguladores. Los dispositivos estranguladores
pueden ser, por ejemplo, unos insertos en los tubos de evaporación
que reducen el diámetro interno del tubo, en un punto en el interior
del tubo de evaporación correspondiente. A su vez, también
demostraron ser ventajosos los medios para la reducción del paso en
un sistema de conducción que comprende múltiples conductos
paralelos, a través del cual se les puede suministrar el medio
fluido a los tubos de evaporación de la cámara de combustión. A su
vez, en un conducto o múltiples conductos del sistema de conducción
pueden estar previstos, por ejemplo, accesorios estranguladores.
Con tales elementos para la reducción del paso del medio fluido a
través de los tubos de evaporación se puede provocar una adaptación
a su respectiva calefacción en la cámara de combustión del paso del
medio fluido a través de tubos de evaporación individuales. De ese
modo, se mantienen especialmente bajas las diferencias de
temperatura del medio fluido en la salida de los tubos de
evaporación, de manera especialmente confiable.
Los tubos evaporadores o evaporatorios
adyacentes están, ventajosamente, soldados entre sí herméticos al
gas, a través de cintas metálicas denominadas nervaduras. El ancho
de las nervaduras influye en la entrada de calor en los tubos
evaporatorios. Por ello, el ancho de las nervaduras está adaptado a
un perfil de calefacción predeterminado del lado del gas que
depende, preferentemente, de la posición de cada tubo evaporador o
evaporatorio en el generador de vapor. Como perfil de calefacción
puede, a su vez, estar predeterminado un perfil de calefacción
típico obtenido mediante valores de experiencia, o también una
estimación aproximada como, por ejemplo, un perfil de calefacción
escalonado. A través de un ancho de nervaduras seleccionado
adecuadamente, también se puede alcanzar una entrada de calor en
todos los tubos evaporadores o evaporatorios, en el caso de una
calefacción muy diferente de los diferentes tubos evaporadores o
evaporatorios, de modo tal que las diferencias de temperatura en la
salida de los tubos evaporadores o evaporatorios se mantenga
especialmente bajas. De este modo se impiden, de modo confiable,
fatigas de material anticipadas. Y el generador de vapor presenta
una vida útil especialmente larga.
En otro acondicionamiento ventajoso de la
invención, el diámetro interno del tubo de una cantidad de tubos de
evaporación de la primera o de la segunda cámara de combustión se
selecciona dependiendo de la posición respectiva de los tubos de
evaporación en la primera o en la segunda cámara de combustión. De
este modo, una cantidad de tubos de evaporación de la primera o de
la segunda cámara de combustión pueden adaptarse al perfil de
calefacción predeterminable del lado del gas. Es así que las
diferencias de temperatura en la salida de los tubos de evaporación
de la primera o de la segunda cámara de combustión se mantienen
bajas, de un modo especialmente confiable.
Ventajosamente, un sistema común recolector de
entrada está preconectado y un sistema común de recolección de
salida está posconectado respectivamente a una cantidad de tubos de
evaporación conectados en paralelo, asignados a la primera o a la
segunda cámara de combustión. Un generador de vapor, constituido
acorde a este acondicionamiento, posibilita una compensación de
presión confiable entre los tubos de evaporación conectados en
paralelo y, con ello, una distribución especialmente favorable del
medio fluido en el caso del paso por los tubos de evaporación. A su
vez, un sistema de conducción provisto de accesorios estranguladores
puede estar preconectado al sistema de recolección de entrada
respectivo. De ese modo, se puede ajustar de modo especialmente
simple el paso del medio fluido por el sistema de recolección de
entrada y los tubos de evaporación conectados en paralelo.
Los tubos de evaporación de la pared frontal de
la primera o la segunda cámara de combustión están preconectados,
ventajosamente, a los tubos de evaporación de las paredes laterales
de la primera o la segunda cámara de combustión. De ese modo se
garantiza una refrigeración especialmente favorable de la pared
frontal de la primera o la segunda cámara de combustión.
En el paso de gas horizontal está dispuesta,
ventajosamente, una cantidad de superficies de calefacción de
sobrecalentamiento que están dispuestas aproximadamente verticales a
la dirección de corriente principal del gas de calefacción y cuyos
tubos están conectados en paralelo para el paso del medio fluido.
Estas superficies de calefacción de sobrecalentamiento, dispuestas
en una construcción colgante, también denominada superficies de
calefacción de lastre, se calefaccionan predominantemente por
convección y están posconectadas, del lado del medio fluido, a los
tubos de evaporación de la primera o de la segunda cámara de
combustión. De este modo se garantiza un aprovechamiento
especialmente favorable del calor suministrado por el quemador.
Ventajosamente, el paso de gas vertical presenta
una cantidad de superficies de calefacción por convección que están
formadas por tubos dispuestos aproximadamente verticales a la
dirección de corriente principal del gas de calefacción. Estos
tubos de una superficie de calefacción por convección están
conectados en paralelo para un paso del medio fluido. Estas
superficies de calefacción por convección también se calefaccionan
sobre todo por convección.
Para permitir un diseño especialmente simple
para un determinado tipo y calidad de combustible, así como para un
área de rendimiento predeterminada del generador de vapor, la
construcción de cámara de combustión está prevista, de modo
ventajoso, de manera modular. A su vez, los módulos semejantes
demostraron ser especialmente simples de manipular y permiten un
alto grado de flexibilidad en lo que respecta a un diseño del
rendimiento deseado de la cámara de combustión. A través de los
módulos, la cámara de combustión debe poder ampliarse o reducirse
de modo especialmente simple.
Para seguir garantizando un aprovechamiento
especialmente completo del calor del gas de calefacción, el paso de
gas vertical presenta, ventajosamente, un sistema Economizer.
Las ventajas obtenidas mediante la invención
consisten especialmente en que, a través de un concepto de
construcción modular de la cámara de combustión del generador de
vapor, éste requiere unos costos de diseño y fabricación
especialmente reducidos. En lugar de una correspondiente
construcción nueva de las dimensiones de la cámara de combustión,
ahora, con el diseño de la cámara de combustión del generador de
vapor, está previsto sólo el agregado o la retirada de una o
múltiples cámaras de combustión para un área de rendimiento
predeterminada y/o una calidad de combustible determinada. A su
vez, a partir de una magnitud de rendimiento determinada del
generador de vapor, en lugar de una nueva cámara de combustión por
diseñar, se pueden preconectar en paralelo dos o más cámaras de
combustión de menor rendimiento al paso de gas horizontal común.
Un ejemplo de ejecución de la invención será
explicado en mayor detalle a partir de un dibujo. Se muestran:
Figura 1 una vista lateral esquemática a lo
largo de un generador de vapor calefaccionado con combustible
fósil, con una construcción de dos pasos,
Figura 2 un corte longitudinal esquemático a
través de un tubo evaporador o evaporatorio individual,
Figura 3 una vista esquemática del frente del
generador de vapor y
Figura 4 un sistema de coordenadas con las
curvas K1 a K6.
Las piezas correspondientes en todas las figuras
están identificadas con las mismas referencias.
El generador de vapor 2 acorde a la figura 1
está asignado a una planta eléctrica no representada aquí en mayor
detalle, que también comprende una planta de una turbina de vapor.
El vapor generado en el generador de vapor se utiliza para el
accionamiento de la turbina de vapor que, a su vez acciona un
generador para generar corriente. La corriente generada a través
del generador está prevista para la alimentación de una red de
interconexión y/o de islas. Además, puede estar prevista también
una ramificación de una cantidad parcial del vapor para alimentar
un proceso externo conectado a la planta de la turbina de vapor,
pudiendo tratarse de un proceso de calefacción.
El generador de vapor 2 calefaccionado con
combustible fósil, acorde a la figura 1, está constituido
ventajosamente como generador de vapor continuo. Comprende una
primera cámara de combustión horizontal 4 y una segunda cámara de
combustión horizontal 5, de las cuales, a causa de la vista lateral
del generador de vapor 2 representado en la figura 1, sólo se puede
ver una. A las cámaras de combustión 4 y 5 del generador de vapor 2
les está posconectado un paso de gas horizontal común 6 que
desemboca en un paso de gas vertical 8. La pared frontal 9 y las
paredes laterales 10 de la primera cámara de combustión 4 o de la
segunda cámara de combustión 5 están formadas por tubos de
evaporación 11 soldados entre sí, herméticos al gas, dispuestos
verticalmente, asimismo, a una cantidad de los tubos de evaporación
11 se les puede suministrar paralelamente el medio fluido S.
Adicionalmente, también las paredes laterales 12 del paso de gas
horizontal 6 o 13 del paso de gas vertical 8 pueden estar formadas
por tubos evaporatorios 14 o 15, soldados entre sí, herméticos al
gas y dispuestos verticalmente. En este caso, a los tubos
evaporatorios 14, 15 también se les puede suministrar paralelamente
el medio fluido S.
Los tubos de evaporación 11 presentan, como está
representado en la figura 2, nervaduras 40 en su cara interna, que
forman un tipo de filete múltiple y presentan una altura de
nervadura R. A su vez, el ángulo de inclinación (\alpha) entre el
nivel vertical al eje del tubo 41 y los flancos 42 de las nervaduras
40, dispuestas en la cara interna del tubo, es menor a 60º,
preferentemente, menor a 55º. De ese modo, se logra un paso de calor
especialmente elevado de la pared interna de los tubos de
evaporación 11 al medio fluido S conducido por los tubos de
evaporación 11 y, al mismo tiempo, temperaturas especialmente bajas
de la pared del tubo.
Los tubos evaporadores o evaporatorios
adyacentes 11, 14, 15 están, ventajosamente, soldados entre sí
herméticos al gas, a través de nervaduras no representadas aquí en
mayor detalle. Puesto que gracias a una selección adecuada del
ancho de las nervaduras, se puede influir en la calefacción de los
evaporadores o evaporatorios adyacentes 11, 14, 15. Por ello, cada
ancho de las nervaduras está adaptado a un perfil de calefacción
predeterminado del lado del gas que depende de la posición de cada
tubo evaporador o evaporatorio 11, 14, 15 en el generador de vapor
2. El perfil de calefacción puede, a su vez, estar predeterminado a
partir de un perfil de calefacción típico obtenido mediante valores
de experiencia, o también puede ser una estimación aproximada. De
ese modo, las diferencias de temperatura en la salida de los tubos
evaporadores o evaporatorios 11, 14, 15 también se mantienen
especialmente bajas, aún en el caso de una calefacción muy diferente
de los diferentes tubos evaporadores o evaporatorios 11, 14,
15.
De este modo se impiden de manera confiable las
fatigas del material, lo cual garantiza una larga vida útil del
generador de vapor 2.
El diámetro interno del tubo D de los tubos de
evaporación 11 de la cámara de combustión 4 o 5 depende de la
posición respectiva de los tubos de evaporación 11 en la cámara de
combustión 4 o 5. De este modo, el generador de vapor 2 está
adaptado a las calefacciones de diferente intensidad de los tubos de
evaporación 11. Este diseño de los tubos de evaporación 11 de la
cámara de combustión 4 o 5 garantiza de modo especialmente confiable
que se mantengan especialmente bajas las diferencias de temperatura
en la salida de los tubos de evaporación 11.
Un sistema común recolector de entrada 16 para
el medio fluido S está preconectado y un sistema común de
recolección de salida 18 está posconectado respectivamente a una
cantidad de tubos de evaporación 11 de las paredes laterales 10 de
la cámara de combustión 4 o 5. El sistema de recolección de entrada
16 comprende, a su vez, una cantidad de colectores de entrada
conectados en paralelo. Para suministrar el medio fluido S al
sistema de recolección de entrada 16 de los tubos de evaporación 11
de la cámara de combustión 4 o 5, está previsto un sistema de
conducción 19. El sistema de conducción 19 comprende múltiples
conductos conectados en paralelo, unidos respectivamente al
recolector de entrada del sistema de recolección de entrada 16. De
ese modo, es posible una compensación de presión de los tubos de
evaporación 11 conectados en paralelo, lo cual posibilita una
distribución especialmente favorable del medio fluido S en el paso
por los tubos de evaporación 11.
Como medio para la reducción del paso del medio
fluido S, una parte de los tubos de evaporación 11 están equipados
con dispositivos estranguladores que no están representados en mayor
detalle en el dibujo. Los dispositivos estranguladores están
diseñados como obturadores que reducen el diámetro interno del tubo
D y, durante el funcionamiento del generador de vapor 2, provocan
una reducción del paso del medio fluido S en los tubos de
evaporación 11 menos calefaccionados, por lo cual el paso de medio
fluido S se adapta a la calefacción. Además, como medios para la
reducción del paso del medio fluido S, una parte de los tubos de
evaporación 11 de la cámara de combustión 4 o 5 están equipados con
uno o múltiples conductos no representados en mayor detalle en el
dibujo del sistema de conducción 19, con dispositivos
estranguladores, especialmente, accesorios estranguladores.
En los tubos de la primera y de la segunda
cámara de combustión 4, 5 se debe tener en cuenta que durante el
funcionamiento del generador de vapor 2 es muy diferente la
calefacción de cada uno de los tubos de evaporación individual 11
soldados entre sí, herméticos al gas. Por ello, el diseño de los
tubos de evaporación 11, en lo que respecta a las nervaduras
internas, la unión mediante nervaduras con los tubos de evaporación
11 adyacentes y su diámetro interno del tubo D, de modo tal que
todos los tubos de evaporación 11 presenten temperaturas de salida
aproximadamente similares, a pesar de la calefacción diferente, y se
garantice una refrigeración suficiente de los tubos de evaporación
11 en todos los estados de funcionamiento del generador de vapor 2.
Esto se garantiza, especialmente, gracias a que el generador de
vapor 2 está diseñado para una densidad del caudal de masa
comparativamente baja del medio fluido S que fluye por los tubos de
evaporación 11. A través de una selección adecuada de las uniones
mediante las nervaduras y del diámetro interno del tubo D se logra,
además, que la proporción de pérdida de presión por fricción en la
pérdida de presión general sea tan reducida que se establece un
comportamiento de circulación natural: Los tubos de evaporación 11
más calefaccionados son atravesados con mayor intensidad que los
tubos de evaporación 11 menos calefaccionados. De ese modo, se
logra que los tubos de evaporación 11 comparativamente más
calefaccionados, específicamente, cerca de los quemadores, recepten
aproximadamente la misma cantidad de calor, respecto del caudal de
masa, que los tubos de evaporación 11 comparativamente menos
calefaccionados en el extremo de la cámara de combustión. Otra
medida para adaptar a la calefacción el paso por los tubos de
evaporación 11 de la cámara de combustión 4 o 5 es el agregado de
estranguladores en una parte de los tubos de evaporación 11 o en una
parte de los conductos del sistema de conducción 19. Las nervaduras
internas de los tubos de evaporación 11 están, a su vez, diseñadas
para asegurar una refrigeración suficiente de las paredes de los
tubos de evaporación. De ese modo, con las medidas mencionadas
anteriormente, todos los tubos de evaporación 11 presentan
aproximadamente las mismas temperaturas de salida.
Para lograr una característica favorable de paso
del medio fluido S a través de las paredes exteriores de la cámara
de combustión 4 y, de ese modo, un aprovechamiento especialmente
bueno del calor de combustión del combustible fósil B, los tubos de
evaporación 11 de las paredes frontales 9 de la cámara de combustión
4 o 5 están preconectados, del lado del medio fluido, a los tubos
de evaporación 11 respectivos de las paredes laterales 10 de la
cámara de combustión 4 o 5.
El paso de gas horizontal 6 presenta una
cantidad de superficies de calefacción de sobrecalentamiento 22
configuradas como superficies de calefacción de lastre que, en una
construcción colgante, están dispuestas aproximadamente verticales
a la dirección de corriente principal 24 del gas de calefacción G y
cuyos tubos están conectados en paralelo para el paso del medio
fluido S. Las superficies de calefacción de sobrecalentamiento 22 se
calefaccionan predominantemente por convección y están
posconectadas, del lado del medio fluido, a los tubos de evaporación
11 de la cámara de combustión 4 o 5.
Ventajosamente, el paso de gas vertical 8
presenta una cantidad de superficies de calefacción por convección
26 formadas por tubos dispuestos aproximadamente verticales a la
dirección de corriente principal 24 del gas de calefacción G. Estos
tubos de una superficie de calefacción por convección están
conectados en paralelo para un paso del medio fluido S. Además, en
el paso de gas vertical 8 está dispuesto un sistema Economizer 28.
En el lado de la salida desemboca un paso de gas vertical 8 en otro
termocambiador, por ejemplo, en un precalentador de aire, y desde
allí, a través de un filtro de polvo, a una chimenea. Los
componentes de construcción posconectados al paso de gas vertical 8
no están representados en la figura 1.
El generador de vapor 2 está configurado en una
construcción horizontal con una altura de construcción especialmente
baja y, de ese modo, realizable con un costo de fabricación y
montaje especialmente reducido. Para ello, las cámaras de
combustión 4 o 5 del generador de vapor 2 presentan una cantidad de
quemadores 30 para combustible fósil B dispuestos en la pared
frontal 9 de la cámara de combustión 4 o 5 a la altura del paso de
gas horizontal 6, como se desprende de la figura 3.
Para que el combustible fósil B se consuma
completamente, a fin de obtener un rendimiento especialmente elevado
y evitar de modo especialmente confiable los daños materiales de la
primera superficie de calefacción de sobrecalentamiento, vista
desde el lado del gas de calefacción, del paso de gas horizontal 6,
y un ensuciamiento de la misma, por ejemplo, a través de la entrada
de ceniza fundida con temperatura elevada, los largos L de la cámara
de combustión 4 y 5 están seleccionados de modo tal que durante el
funcionamiento con plena carga del generador de vapor 2 superan el
largo de combustión del combustible B. El largo L es, a su vez, la
distancia desde la pared frontal 9 de la cámara de combustión 4 o 5
hasta el área de ingreso 32 del paso de gas horizontal 6. El largo
de combustión del combustible B se define, asimismo, como la
velocidad del gas de calefacción en sentido horizontal a una
temperatura del gas de calefacción media, multiplicada por el tiempo
de combustión t_{A} del combustible. El largo de combustión
máximo para cada generador de vapor 2 se obtiene durante el
funcionamiento con plena carga del generador de vapor 2. A su vez,
el tiempo de combustión t_{A} es el tiempo que necesita, por
ejemplo, un grano de polvo de carbón de tamaño mediano, para
consumirse completamente a una determinada temperatura media del
gas de calefacción.
Para un aprovechamiento adecuado del calor de
combustión del combustible fósil B, están seleccionados
adecuadamente el largo L (indicado en m.) de las cámaras de
combustión 4 o 5, dependiendo de la temperatura de salida T_{BRK}
(indicado en ºC) del gas para calefacción G de las cámaras de
combustión 4 o 5 (indicado en ºC), del tiempo de combustión t_{A}
(indicado en s.) del combustible fósil, del valor BMCR (indicado en
kg/s) del generador de vapor 2 y de la cantidad N de cámaras de
combustión 4, 5. A su vez, BMCR son las siglas en inglés de
"boiler maximum continuous rating". BMCR es un término
internacional usualmente utilizado para el máximo rendimiento
constante de un generador de vapor. Esto también corresponde al
rendimiento del diseño, es decir, al rendimiento del generador de
vapor durante el funcionamiento con plena carga. Este largo
horizontal L de las cámaras de combustión 4 o 5, en general es
mayor que la altura H de la cámara de combustión 4 o 5. La altura H
es medida desde el borde superior del embudo, en la figura 1,
representado con la línea X-Y, hasta el techo de la
cámara de combustión. El largo L sólo se determina una vez y rige
luego para cada una de las N cámaras de combustión 4 o 5. A su vez,
el largo L de ambas cámaras de combustión 4 o 5 se determina
aproximadamente mediante las dos funciones (1) y (2):
\vskip1.000000\baselineskip
con
C1 = 8 m/s y
C2 = 0,0057 m/kg y
C3 = -1,905 \cdot 10-4 (m
\cdot s)/(kgºC) y
C4 = 0,286 (s \cdot m)/kg y
C5 = 3 \cdot 10-4
m/(ºC)^{2} y
C6 = -0,842 m/ºC y
C7 = 603,41 m.
Bajo "aproximadamente" se debe entender en
este caso, una desviación aceptable del valor definido por la
función respectiva, de alrededor de +20%/-10%. A su vez, en el caso
de un valor BMCR W seleccionado libremente, pero fijo, del
generador de vapor 2, rige siempre el valor mayor de las funciones
(1) y (2) para el largo L de las cámaras de combustión 4 y 5.
Como ejemplo de un cálculo del largo L de las
cámaras de combustión 4 o 5, es decir, N = 2, dependiendo del valor
BMCR W del generador de vapor 2, en el sistema de coordenadas acorde
a la figura 4 se graficaron seis curvas K1 a K6. A su vez, a las
curvas le fueron asignados, respectivamente, los siguientes
parámetros:
K1: t_{A} = 3s acorde a (1),
K2: t_{A} = 2,5 s acorde a (1),
K3: t_{A} = 2s acorde a (1),
K4: T_{BRK} = 1200ºC acorde a (2),
K5: T_{BRK} = 1.300ºC acorde a (2), y
K6: T_{BRK} = 1.400ºC acorde a (2).
Para la determinación de los largos L de las
cámaras de combustión 4 o 5, que presentan siempre el mismo largo
L, por ejemplo, para un tiempo de combustión t_{A} = 3s y una
temperatura de salida T_{BRK} = 1200ºC del gas de calefacción G
de la cámara de combustión 4 o 5, se deben tomar las curvas K1 y K4.
De ello se desprende, en el caso de un valor BMCR predeterminado
del generador de vapor 2, para el largo L con N = 2 para las cámaras
de combustión 4 y 5
de W/N = 80 kg/s un largo de L = 29 m acorde a
K4,
de W/N = 160 kg/s un largo de L = 34 m acorde a
K4,
de W/N = 560 kg/s un largo de L = 57 m acorde a
K4.
Para el tiempo de combustión t_{A} = 2,5s y
una temperatura de salida del gas de calefacción G de las cámaras
de combustión 4 o 5 T_{BRK} = 1300ºC se deben tomar, por ejemplo,
las curvas K2 y K5. De ello se desprende, en el caso de N = 2 y un
valor BMCR predeterminado W del generador de vapor 2 para el largo L
de las cámaras de combustión 4 y 5
de W/N = 80 kg/s un largo de L =21 m acorde a
K2,
de W/N = 180 kg/s un largo de L =23 m acorde a
K2 y K5,
de W/N = 560 kg/s un largo de L =37 m acorde a
K5.
El tiempo de combustión t_{A} = 2s y la
temperatura de salida del gas de calefacción G de la cámara de
combustión T_{BRK} = 1400ºC están asignadas, por ejemplo, a las
curvas K3 y K6. De ello se desprende, en el caso de N = 2 y un
valor BMCR predeterminado W del generador de vapor 2 para el largo L
de las cámaras de combustión 4 y 5
de W/N = 80 kg/s un largo de L =18 m acorde a
K3,
de W/N = 465 kg/s un largo de L =21 m acorde a
K3 y K6,
de W/N = 560 kg/s un largo de L = 23 m acorde a
K6.
Las llamas F del quemador 30 están orientadas en
dirección horizontal durante el funcionamiento del generador de
vapor 2. Por la construcción de la cámara de combustión 4 o 5, se
genera, de ese modo, una corriente del gas de calefacción G que se
origina durante la combustión en dirección de corriente
aproximadamente horizontal 24. Este gas llega, a través del paso de
gas horizontal común 6, al paso de gas vertical 8 orientado
aproximadamente hacia la base y lo abandona en dirección de la
chimenea no representada aquí en mayor detalle.
El medio fluido S que ingresa al sistema
Economizer 28 accede, a través de las superficies de calefacción
por convección dispuestas en el paso de gas vertical 8, al sistema
de recolección de entrada 16 de la cámara de combustión 4 o 5 del
generador de vapor 2. En los tubos de evaporación 11 dispuestos
verticalmente, soldados entre sí herméticos al gas, de la cámara de
combustión 4 o 5 del generador de vapor 2, se lleva a cabo la
evaporación y eventualmente un sobrecalentamiento parcial del medio
fluido S. El vapor, o la mezcla de agua y vapor originada de ese
modo, se acumula en el sistema de recolección de salida 18 para el
medio fluido S. Desde allí, el vapor, o la mezcla de agua y vapor,
accede a las paredes del paso de gas horizontal 6 y del paso de gas
vertical 8 y desde allí, nuevamente, a las superficies de
calefacción de sobrecalentamiento 22 del paso de gas horizontal 6.
En las superficies de calefacción de sobrecalentamiento 22 se lleva
a cabo otro sobrecalentamiento del vapor que luego es conducido a
una utilización, por ejemplo, al accionamiento de una turbina de
vapor.
Gracias a la altura de construcción
especialmente reducida y el modo de construcción compacto del
generador de vapor 2 se garantiza un costo de fabricación y de
montaje del mismo especialmente reducido. El diseño del generador
de vapor 2 para un área de rendimiento determinado y/o una calidad
determinada del combustible fósil B requiere por ello un costo
técnico especialmente reducido. Además, gracias al concepto modular
de la cámara de combustión, a partir de una magnitud de rendimiento
determinada, en lugar de una nueva cámara de combustión, se pueden
preconectar en paralelo dos o más cámaras de combustión de menor
rendimiento al paso de gas horizontal común 6.
Claims (18)
1. Generador de vapor (2) con un espacio de
combustión que presenta, al menos, una primera y una segunda cámara
de combustión (4, 5), y la primera y la segunda cámara de combustión
(4, 5) presentan, respectivamente, una cantidad de quemadores (30)
para combustible fósil (B) y están configuradas para una dirección
de corriente principal aproximadamente horizontal (24) del gas para
calefacción (H), asimismo, la primera cámara de combustión (4) y la
segunda cámara de combustión (5) desembocan en un paso de gas
horizontal (6) común preconectado a un paso de gas vertical (8) del
lado del gas para calefacción, asimismo, una cantidad de quemadores
(30) están dispuestos respectivamente en una pared frontal (9) de
la primera cámara de combustión (4) y en una pared frontal (9) de
la segunda cámara de combustión (5), caracterizado porque el
largo (L) de la primera cámara de combustión (4) y de la segunda
cámara de combustión (5), definido por la distancia de la pared
frontal (9) de la primera cámara de combustión (4) y de la pared
frontal (9) de la segunda cámara de combustión (5) hasta el área de
ingreso (32) del paso de gas horizontal (6), es al menos del mismo
largo que el largo de combustión del combustible (B) en el
funcionamiento con plena carga del generador de vapor (2).
2. Generador de vapor acorde a la reivindicación
1, en el cual el largo (L) de la primera cámara de combustión (4) y
de la segunda cámara de combustión (5) está seleccionado en función
del valor BMCR (W), de la cantidad N de cámaras de combustión (4,
5), del tiempo de combustión (t_{A}) de los quemadores (30) y/o de
la temperatura de salida (T_{BRK}) del gas para calefacción (H)
de la primera cámara de combustión (4) y de la segunda cámara de
combustión (5), aproximadamente acorde a ambas funciones (1) y
(2):
con
C1 = 8 m/s y
C2 = 0,0057 m/kg y
C3 = -1,905 \cdot 10-4 (m
\cdot s)/(kgºK) y
C4 = 0,286 (s \cdot m)/kg y
C5 = 3 \cdot 10-4
m/(ºK)^{2} y
C6 = -0,842 m/ºK y
C7 = 603,41 m y
C8 = 273,15 K
asimismo, para un valor BMCR (W) vale,
respectivamente, el valor mayor del largo (L) para la primera cámara
de combustión (4) y la segunda cámara de combustión (5).
3. Generador de vapor (2) acorde a la
reivindicación 1 o 2, en el cual, tanto la pared frontal (9) de la
primera cámara de combustión (4) como así también la pared frontal
(9) de la segunda cámara de combustión (5) están formadas por tubos
de evaporación (11) soldados entre sí, herméticos al gas, dispuestos
verticalmente, a los que se les puede suministrar paralelamente el
medio fluido (S).
4. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el cual las paredes laterales (10) de la
primera cámara de combustión (4) y las paredes laterales (10) de la
segunda cámara de combustión (5) están formadas por tubos de
evaporación (11) soldados entre sí, herméticos al gas, dispuestos
verticalmente, asimismo, a una cantidad de los tubos de evaporación
(11) se les puede suministrar, paralelamente, el medio fluido
(S).
5. Generador de vapor (2) acorde a la
reivindicación 3 o 4, en el cual una cantidad de los tubos de
evaporación (11) poseen, en su cara interna, nervaduras (40) que
forman un filete múltiple.
6. Generador de vapor (2) acorde a la
reivindicación 5, en el que un ángulo de inclinación (\alpha)
entre el nivel vertical al eje del tubo (41) y los flancos (42) de
las nervaduras (40) dispuestas en la cara interna del tubo es menor
a 60º, preferentemente, menor a 55º.
7. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 6, en el cual las paredes laterales (10) del
paso de gas horizontal (6) están formadas por tubos evaporatorios
(14) soldados entre sí, herméticos al gas, dispuestos
verticalmente, a los que se les puede suministrar paralelamente
medio fluido (S).
8. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 7, en el cual las paredes laterales (13) del
paso de gas vertical (8) están formadas por tubos evaporatorios (15)
soldados entre sí, herméticos al gas, dispuestos verticalmente, a
los que se les puede suministrar paralelamente medio fluido (S).
9. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 8, en el cual una cantidad de los tubos de
evaporación (11) presenta, respectivamente, un dispositivo
estrangulador.
10. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 9, en el cual está previsto un sistema de
conducción (19) para suministrar un medio fluido (S) a los tubos de
evaporación (11) de la cámara de combustión (4), asimismo, el
sistema de conducción (19) presenta, para la reducción del pasaje
del medio fluido (S), una cantidad de dispositivos estranguladores,
especialmente, accesorios estranguladores.
11. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 10, en la cual los tubos evaporadores o
evaporatorios adyacentes (11, 14, 15) están soldados entre sí
herméticos al gas mediante nervaduras, asimismo, el ancho de las
nervaduras depende de la respectiva posición de los tubos
evaporadores o evaporatorios (11, 14, 15) en la primera cámara de
combustión (4) o en la segunda cámara de combustión (5), del paso de
gas horizontal (6) y/o del paso de gas vertical (8).
12. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 11, en el cual el diámetro interno del tubo
(D) de una cantidad de tubos de evaporación (11) de la primera
cámara de combustión (4) o de la segunda cámara de combustión (5)
se selecciona dependiendo de la posición respectiva de los tubos de
evaporación (11) en la primera cámara de combustión (4) o en la
segunda cámara de combustión (5).
13. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 12, en el cual, un sistema común recolector de
entrada (16) está preconectado, del lado del medio fluido, a una
cantidad de tubos de evaporación (11) de la primer cámara de
combustión (4) o de la segunda cámara de combustión (5), a los que
se puede suministrar paralelamente, medio fluido (S), asimismo está
posconectado un sistema común de recolección de salida (18).
14. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 13, en el cual los tubos de evaporación (11)
de las paredes frontales (9) de la primera cámara de combustión (4)
o de la segunda cámara de combustión (5) están preconectados, del
lado del medio fluido, a los tubos de evaporación (11) de las
paredes laterales (10) de la primera cámara de combustión (4) o de
la segunda cámara de combustión (5).
15. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 14, en el cual una cantidad de superficies de
calefacción de sobrecalentamiento (22) está dispuesta en el paso de
gas horizontal (6) en un modo de construcción pendiente.
16. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 15, en el cual una cantidad de superficies de
calefacción por convección (26) están dispuestas el paso de gas
vertical (8).
17. Generador de vapor (2) acorde a una de las
reivindicaciones 1 a 16, en el cual el espacio de combustión (30)
está construido de manera modular, y un primer módulo comprende la
primera cámara de combustión (4) y el segundo módulo comprende la
segunda cámara de combustión (5).
18. Generador de vapor (2) acorde a la
reivindicación 17, en el cual el espacio de combustión está
construido con módulos del mismo tipo.
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