Conceptos básicos de las bombas de alimentación de calderas

Las bombas de alimentación de calderas (BFP) consisten en alimentar a un generador de vapor (por ejemplo, una caldera) una cantidad de agua de alimentación correspondiente a la cantidad de vapor generado. Los parámetros de funcionamiento (flujo, cabeza, temperatura) del agua de alimentación de la caldera son calculados por un diseñador de calderas.

Hoy en día, casi todas las BFP son bombas centrífugas. La construcción de BFP con respecto a la potencia del eje, el material, los tipos de bomba y la transmisión se rige por los desarrollos que han tenido lugar en la tecnología de potencia. La tendencia en las centrales eléctricas de combustibles fósiles es continuamente hacia unidades de bloque de energía más grandes.

Hasta 1950, la presión de descarga promedio de los BFP estaba en la región de 200 bar. En 1955, había subido a 400 bar. Los flujos másicos estaban en la región de 350 toneladas por hora (t/h) en 1950 y han aumentado a 2500 t/h (4000 t/h) en plantas de energía convencionales. Los BFP funcionan a temperaturas de 160 C a 180 C y, en casos excepcionales, incluso superiores.

Los BFP se construyeron con aceros sin alear durante la década de 1950. Desde entonces, entre el 13 % y el 14 % se han pasado al acero cromado (A743 Gr. CA6NM). Este cambio de materiales se hizo necesario por la introducción de nuevos procesos de tratamiento del agua de alimentación. El desarrollo de aceros al cromo resistentes a la corrosión y de alta resistencia con características de funcionamiento de emergencia allanó el camino para el BFP actual con velocidades de 5000 a 6000 rotaciones por minuto (rpm). La tasa de flujo de BFP aumentó con el aumento de las salidas del bloque de energía. Los BFP de carga completa actuales para trenes de potencia tradicionales de 750 megavatios (MW) se construyen con cuatro o cinco etapas, con una presión de etapa de hasta 80 bar.

Los motores eléctricos (motores asíncronos) se utilizan para accionar las bombas de alimentación. El ajuste de velocidad de un BFP accionado eléctricamente se puede lograr por varios medios, incluido el uso de acoplamiento de fluido, transmisión de frecuencia variable (VFD) en el motor y las cajas de engranajes. Si una planta tiene abundante vapor disponible, también se puede usar una turbina de vapor para la unidad impulsora. En varios casos, se utilizan turbinas de condensación que funcionan entre 5000 y 6000 rpm. Sin embargo, el uso de turbinas de vapor de tipo condensado aumenta el requisito de equipo en el tren. Es imprescindible utilizar un intercambiador de calor, bomba de extracción de condensados ​​o similar para un uso eficaz de la unidad.

Si se necesita un BFP para alta presión y altas revoluciones, se requiere una bomba de refuerzo. En tal caso, es difícil lograr una altura de succión neta positiva disponible (NPSHa) adecuada y la bomba de refuerzo cumple con el requisito. Para reducir el cabezal de succión positivo neto requerido (NPSHr), es posible seleccionar las bombas que hacen la primera etapa (succión) como de doble succión. NPSH es más significativo en la etapa de succión solamente.

Hay dos tipos de construcción que se utilizan principalmente para la aplicación de BFP. Una es una bomba tipo barril de etapas múltiples, que se define como una bomba de tipo 5 entre cojinetes (BB) según el Instituto Americano del Petróleo (API) 610. La otra es una bomba de etapas múltiples de sección anular que se define como una bomba de tipo BB4. Sin embargo, una bomba de sección anular no cumple con los criterios de API 610, lo que la convierte en una excepción. En algunos casos, también se pueden utilizar bombas multietapas divididas axialmente. Se define como bomba tipo BB3 bajo API 610.

Las bombas tipo barril se utilizan para diseños de alta presión, pero esto puede variar según el usuario. Debido a algunas ventajas sobre las bombas de sección anular, los usuarios de la planta tienden a preferir usar bombas tipo barril, aunque al principio es una inversión alta. Si es necesario sacar una bomba de barril para repararla, se debe reemplazar el rotor, pero las carcasas (barril) pueden permanecer en su lugar con las tuberías de succión y descarga. Esto es importante con respecto a la disponibilidad para el servicio del respaldo de energía, si no hay una bomba de reserva instalada al 100%.

Las carcasas de las bombas de BFP deben considerarse desde dos puntos de vista: el espesor de la pared debe ser sostenible por un lado para satisfacer el requisito de carga de presión y el otro lado debe adaptarse a la variación temporal de temperatura que se presenta.

Las carcasas de los barriles generalmente están hechas de acero forjado dúctil y todas las superficies en contacto con el agua de alimentación están recubiertas con material austenítico mediante un proceso de revestimiento. Para soldar la carcasa de la bomba a la tubería, se suelda una pieza intermedia compatibilizada para soldar a la tubería y la carcasa de la bomba a los ramales de aspiración e impulsión de la bomba. La tapa de las bombas de barril se sella aplanando una junta enrollada en espiral de metal celular (sellado).

Las carcasas de las bombas de sección anular se fabrican con acero al carbono fundido o forjado, a veces de hierro fundido, según la aplicación y los requisitos definidos por el usuario. El sellado de cada carcasa (etapas) entre sí es por contacto de metal con metal: las carcasas individuales se sujetan juntas axialmente mediante pernos de unión entre las carcasas de la bomba de succión y descarga. El contacto metal con metal es uno de los inconvenientes de la bomba de sección anular, ya que restringe el uso de las bombas en aplicaciones de alta temperatura. Los choques de temperatura son absorbidos por tensiones adicionales en los pernos de unión y las superficies de sellado de las carcasas del escenario.

Las carcasas de las bombas divididas axiales se dividen en dos partes, inferior y superior. La capota se desmonta verticalmente al eje. Estas bombas tienen la ventaja de equilibrar el empuje ya que el número de etapas se puede montar en dirección opuesta. Equilibra el empuje con el mínimo esfuerzo.

Por lo general, se recomienda el uso de bombas de tipo BB3 hasta una temperatura del fluido limitada a 200 C o menos. API 610 tiene pautas claras si la temperatura de bombeo es de 200 C o más, se deben usar bombas de carcasa partida radial. Una nota importante: los pernos de la carcasa no se consideran partes húmedas en esta bomba debido a la disposición dividida axial.

La inyección de agua a una presión situada entre las presiones de succión y descarga de la bomba es un requisito de servicio frecuente. Esto se soluciona extrayendo agua de una de las etapas de la bomba, tanto en el caso de las bombas de barril como en las bombas de sección anular. Estas zonas de presión están selladas entre sí mediante juntas flexibles enrolladas en espiral y la flexibilidad y el comportamiento frente al choque térmico se adaptan adecuadamente entre sí.

Los BFP están equipados con ejes de bomba, que tienen una distancia adecuada entre los rodamientos y se combinan con un gran diámetro del eje. Los impulsores generalmente se encogen en el eje y, en consecuencia, el hundimiento estático del eje es pequeño. El eje es insensible a las vibraciones y, en condiciones normales de funcionamiento, es suave sin ningún contacto radial indeseable con la carcasa. El diámetro del cubo aumenta en la parte posterior del impulsor, y la geometría de entrada del impulsor está diseñada para mantener el diámetro lo más pequeño posible para reducir las fuerzas axiales que debe absorber el dispositivo de equilibrio.

En una bomba multietapa (tipo barril o tipo sección anular), los impulsores están dispuestos en un eje largo (dependiendo de las etapas) y entre cojinetes. Esta disposición es la causa de producir empuje. Cuando la bomba arranca, el flujo se mueve de succión a descarga (zona de baja presión a zona de alta presión), y después de llegar a la descarga, no se puede descargar el 100 % de la presión y se genera empuje hacia la succión. Sin embargo, durante la operación de la bomba, la magnitud de este empuje axial dependerá de la posición del punto de operación en la curva de estrangulamiento y la cantidad de desgaste en las holguras internas.

Pueden surgir fuerzas perturbadoras adicionales si las bombas funcionan en condiciones anormales. Por ejemplo, si la bomba comienza a cavitar, significa que el NPSH no es suficiente para que la bomba funcione sin problemas. En los BFP más grandes, el equilibrio del empuje axial en el rotor de la bomba se realiza por medio de un dispositivo de equilibrio a través del cual fluye el fluido bombeado, combinado con un cojinete de empuje lubricado con aceite. El dispositivo de equilibrio hidráulico puede comprender un disco de equilibrio con asiento de disco de equilibrio, o un pistón de equilibrio o pistón doble con los casquillos de estrangulación asociados. Los pistones y los pistones dobles también se pueden combinar con un disco de equilibrio. Es importante tener en cuenta que API 610 no permite el uso de un disco de equilibrio, por lo que se debe usar un tambor. Sin embargo, API 610 se refiere estrictamente a aplicaciones petroquímicas, de petróleo y gas. En varios casos, las plantas han prohibido el uso de un disco de equilibrio para los BFP en plantas de energía típicas.

Las fuerzas radiales surgen del peso del rotor, el desequilibrio mecánico y el empuje radial. El equilibrio de las fuerzas radiales se ve afectado por dos cojinetes radiales lubricados con aceite y por espacios de estrangulación por los que el fluido fluye axialmente. Estos espacios de estrangulación a través de los cuales fluye axialmente el fluido se encuentran en el cuello del impulsor, o en el caso de BFP de etapas múltiples, en centrales eléctricas convencionales en los casquillos de estrangulación de las placas difusoras y en el pistón de equilibrio. Si el rotor es ligeramente excéntrico, se generará una fuerza de restauración de centrado en estos espacios, y esta fuerza dependerá del diferencial de presión y la geometría del espacio. Esta acción restauradora suele denominarse efecto Lomakin. Se reduce cuando el agua de cabecera en el flujo del desnivel no está en una fase puramente líquida. La acción hidrostática de los espacios de estrangulamiento con respecto a la rigidez mecánica puede exceder la rigidez del eje. El sistema está ajustado de manera que la velocidad crítica de rotación siempre se mantenga alejada de la velocidad de operación. Además, pueden absorberse fuerzas hidráulicas excitantes, especialmente en funcionamiento con carga parcial.

Los prensaestopas de empaque blando, los sellos mecánicos, los sellos flotantes y los sellos de laberinto se pueden usar en BFP para fines de sellado. El límite de aplicación de los prensaestopas de empaque blando se rige por las posibilidades existentes para la eliminación del calor por fricción. En el caso de prensaestopas de empaque blando para servicio pesado, generalmente hay un preenfriamiento del agua de fuga y un ambiente del alojamiento del prensaestopas, el manguito de protección del eje y el prensaestopas. El material de embalaje suele consistir en cordel de teflón trenzado. Este sello de eje se usa con éxito en bombas de alimentación de carga completa con una capacidad de tren de fuerza de hasta 150 MW.

La pequeña fuga de los sellos mecánicos se emite a la atmósfera en forma de vapor a la salida. El calor por fricción generado es menor que en el caso de prensaestopas de empaque blando. Por lo general, se adopta un sistema de enfriamiento de circuito cerrado, que es impulsado por un dispositivo de circulación en el anillo de sello giratorio cuando la bomba está funcionando y por la acción del termosifón cuando la bomba está detenida.

Se puede utilizar un sello flotante para altas velocidades circunferenciales y altas presiones de sellado. El sello flotante consta de una serie de anillos de estrangulación cortos que se pueden desplazar radialmente. Se inyecta un chorro de agua de sellado fría en el sello para garantizar que no se escape agua caliente de la bomba. Esta alimentación de agua de sellado debe mantenerse mientras la bomba funciona bajo presión. El control de la inyección de condensado de sellado en un sello flotante puede verse afectado por la presión diferencial, la regulación o la regulación de temperatura diferencial del condensado de sellado.

En caso de aplicación a alta temperatura, más de 80 C, use un sello mecánico de acción simple con el enfriador que esté clasificado como Plan-23 según API 682.

Si el BFP se enciende y apaga con frecuencia, es deseable evitar el choque térmico y la deformación de la carcasa después de que la bomba se haya detenido para evitar el desgaste interno prematuro en el espacio de sellado. En principio, los materiales de construcción se seleccionan de forma que el BFP pueda ponerse en marcha desde cualquier condición térmica. Sin embargo, no se puede evitar un contacto físico entre el rotor y la carcasa en lugares con una holgura estrecha en determinadas circunstancias de funcionamiento anómalo, por ejemplo, cuando se produce cavitación o durante un arranque semicaliente, cuando el BFP está deformado. Los lugares afectados son los espacios de estrangulamiento en la entrada del impulsor, el casquillo de estrangulamiento en el difusor y el dispositivo de equilibrio. La combinación de materiales de construcción apropiados en estos lugares, que consisten en aceros cromados resistentes a la corrosión con adiciones de aleaciones especiales, garantiza buenas condiciones de funcionamiento de emergencia incluso a altas velocidades circunferenciales. Cualquier desgaste elevado en las holguras estrechas siempre está relacionado con una caída de la eficiencia.

Una llamada válvula de flujo mínimo (p. ej., una válvula de fuga automática, válvulas y accesorios) se instala aguas abajo de la tubería de salida si el BFP garantiza que siempre haya un flujo mínimo presente y evita cualquier daño que pueda surgir durante el flujo bajo. funcionamiento con carga, como resultado de un sobrecalentamiento excesivo y la evaporación del contenido de la bomba, o como resultado de la cavitación en el funcionamiento con carga parcial.

Algunos puntos adicionales que se deben aprender mientras se estudia la bomba de agua de alimentación de la caldera se encuentran en la Ecuación 1:

Los fundamentos esenciales que se deben enfatizar para los BFP son el calentamiento adecuado de la bomba, el calentamiento en espera y el control de la temperatura de drenaje del sello del eje (buje fijo). Estas características se han vuelto más críticas a medida que las plantas de la estación central se ciclan y las bombas de alimentación grandes funcionan con cargas variables y en modo de espera. El precalentamiento de la bomba y el mantenimiento del flujo de calentamiento a una bomba inactiva para asegurar la uniformidad térmica dimensional es esencial para el mantenimiento de las holguras internas, la eficiencia de la bomba y una larga vida útil. Este proceso es fundamental para que las bombas de etapas múltiples minimicen la distorsión térmica. La distorsión causará los siguientes posibles modos de falla: parpadeo, rozamiento interno, aumento de las holguras de los anillos de desgaste, agarrotamiento de la bomba, holgura desgastada del buje del sello y fugas excesivas, pérdida de rendimiento y eficiencia de la bomba, alta vibración de la bomba y cojinetes desgastados/espacios libres de los cojinetes.

Las características y prácticas de instalación que prolongan la vida útil, la eficiencia y la confiabilidad son:

Léxico KSB

Manual de bombas por Igor J. Karassik

API 610, API 682

Ashutosh Mishra es un profesional de ingeniería de proyectos y aplicaciones con experiencia en empresas de ingeniería (EPC) y de fabricación. Obtuvo una licenciatura en ingeniería mecánica y un ingeniero colegiado certificado de Institutos de Ingenieros, India. Puede comunicarse con él en [email protected].