Información Tecnológica-Vol. 17 N°3-2006, pág.: 123-128

INGENIERIA MECANICA

Obtención del Valor Real de las Pérdidas de Difícil Evaluación, Aplicables al Cálculo del Rendimiento de Calderas

Obtaining the Real Value of Difficult-Evaluation Heat Losses, Applied to the Calculation of Boiler Efficiency

Jesús M. Blanco (1) y Francisco Peña (2)
(1) Universidad del País Vasco / E.H.U., Escuela Técnica Superior de Ingeniería,
Dpto. de Máquinas y Motores Térmicos, Alameda de Urquijo s/n, (48013) Bilbao-España (e-mail: jesusmaria.blanco@ehu.es)
(2) IBERDROLA GENERACIÓN, Bahía de Santurce, (48008) Vizcaya-España.

Resumen

Se presenta un estudio para la obtención del valor real de las pérdidas de difícil evaluación aplicables al cálculo del rendimiento de calderas. A las pérdidas de difícil evaluación se les adjudicó un valor convencional del 1 % sobre el poder calorífico superior del combustible utilizado. El método propuesto permite determinar con exactitud dichas pérdidas y está indicado para cualquier tipo de combustible. Para el estudio, se han seleccionado el gas natural y el fuel-oil (fuel nº 2 y fuel de bajo índice de azufre respectivamente). El valor convencional del 1% sobre el poder calorífico superior ha sido muy útil para la comparación de rendimientos en calderas como se muestra en este trabajo.

Palabras claves: rendimiento térmico, calderas, pérdidas de calor, fuel-oil, gas natural

Abstract

A study to obtain the real value of difficult-evaluation heat losses applied to the calculation of boiler efficiency is presented. A conventional value of 1 % over the gross caloric value of the fuel was assigned to each fuel. The proposed method allows to accurately determining these losses and is suitable for any type of fuel. For the study, both natural gas and fuel-oils (number 2 and low sulphur content fuel respectively) were selected. The conventional value of 1% over the gross caloric value has been useful to compare boiler efficiency as demonstrated in this work.

Keywords: thermal efficiency, boilers, heat losses, fuel-oil, natural gas

INTRODUCCIÓN

El cálculo del rendimiento de una caldera por el denominado “método indirecto” o “de las pérdidas separadas”, proporciona un modelo válido de comparación entre calderas y además, permite determinar el estado de los diferentes componentes de la misma, así como su eficiencia.

Este procedimiento, se presentó por ASME en 1915. En 1936 se constituyó el "Power Test Codes Committee Nº 4" (PTC-4), para la revisión del mismo. La norma "ANSI-PTC-4.1-1974" fue revisada en 1998, conociéndose en la actualidad como ASME-PTC-4-1998.

El procedimiento de ensayos, su supervisión, los cálculos así como la evaluación de resultados, fueron sometidos a discusión, por parte de un comité constituido por expertos de las diferentes empresas de generación de electricidad.

La propuesta, en lo concerniente a los rendimientos de las calderas, resultó ser una simplificación de la mencionada norma, sección 7, apartado 3: "Efficiency by Heat Loss Method", que se conoció como "Método Indirecto o de Pérdidas Separadas".

Dicho método, considera para el cálculo únicamente aquellas pérdidas que tuvieran una incidencia significativa, agrupando todas las demás en “Pérdidas de Difícil Evaluación”, con independencia del tipo de combustible empleado.

Aquí proponemos un método de determinar con más exactitud las pérdidas de difícil justificación, válido para cualquier tipo de combustible; en concreto se han seleccionado el gas natural, y el fuel-oil (el fuel nº 2 y el fuel BIA), con el objeto de profundizar lo máximo posible en la obtención de las mencionadas pérdidas.

DEFINICIÓN DE LAS P_de

Las “Pérdidas de Difícil Evaluación”, están constituidas por los siguientes términos, siendo los dos primeros los más significativos. Esto nos permite avanzar que tiene que haber una diferencia sustancial entre los combustibles sólidos y líquidos por una parte y los gaseosos por otra:

- Calor sensible de cenizas y escorias.

- Calor latente de fusión de escorias.

- Hidrógeno e hidrocarburos inquemados.

- Radicales libres y disociación de especies.

Los dos primeros requieren la obtención de la masa de la totalidad de cenizas y escorias producidas en la combustión, además de la clasificación de unas y otras. Esto supone que hay que partir de unas condiciones óptimas de limpieza del circuito de humos, con objeto de recoger las diferentes partículas de todas las tolvas de los precipitadores mecánicos, además de las adheridas a las paredes de los conductos de humos. Asimismo, es preciso añadir las correspondientes a la emisión de partículas por la chimenea, realizando así una valoración estadística del contenido de las cenizas y escorias en las mismas.

El tercer término, requiere la toma de muestras en el conducto de humos, mediante absorción por sondas isocinéticas y detección mediante cromatógrafos. El último término se explica porque durante la combustión de los combustibles fósiles, se producen radicales CH, o combinaciones del tipo CHN, lo cual constituye una realidad a partir de temperaturas de llama superiores a 1.000 ºC, siendo su crecimiento exponencial con la temperatura.

Las emisiones de NOx están formadas por la combinación de tres componentes óxido nítrico (NO), dióxido de nitrógeno (NO₂) y óxido nitroso (N₂O). La formación de CHN, tiene lugar en el proceso de formación del denominado “Promt-NOx”, en la primera etapa de llama, como consecuencia de la presencia de hidrocarburos, con el siguiente mecanismo básico en las siguientes reacciones (Londerville et al, 1992):

                                               (1)

Por otra parte, a partir de 1.300 ºC, tiene lugar la “disociación de especies” de los PDC, fundamentalmente del CO₂ y del vapor de agua, mediante procesos endotérmicos que absorben calor del hogar de caldera. Además de estas reacciones mencionadas, están presentes las siguientes:

                                     (2)

Las reacciones en las que intervienen el O₂ y el H₂ son rápidas, mientras que las del C y N₂, son lentas. Según (Boyer, 1978), si en una reacción de combustión, se pretendiese determinar la temperatura y la composición de especies en equilibrio a dicha temperatura, sería preciso recurrir a la “Cinética Química”, sobre todo para las reacciones lentas.

Uno de los efectos inmediatos de la formación de los radicales libres y de la disociación de especies, es la “reducción de la temperatura de llama” alejándola sensiblemente de la teórica, lo cual afecta al rendimiento de la combustión y por tanto al rendimiento de caldera, según (Makansi, 1993). La cuestión radica, siempre en la cuantificación de la pérdida de rendimiento por estos conceptos, cuya evaluación puede resultar factible en el caso de llamas en régimen de flujo laminar. Sin embargo ya en la práctica, las llamas industriales y en particular aquellas que se producen en los hogares de calderas, siempre se realizan en “régimen de flujo turbulento”, resultando muy difícil la obtención de resultados analíticos tal y como se demuestra en (Knaus et al, 2002).

Como puede observarse, las dificultades para evaluar de una forma directa las P_de, son muy complejas en los casos de las cenizas y escorias, extraordinariamente difíciles en los casos de la formación de radicales libres y disociación de especies y muy costosas económicamente en los casos de formación de H₂ e hidrocarburos inquemados.

METODOLOGÍA

Planteamiento inicial

Las P_de pueden obtenerse indirectamente, aunque sin error respecto a la exactitud en valor absoluto del calor total perdido por este concepto. El planteamiento es el siguiente: Si para un combustible concreto consumido en una caldera “tipo” representativa, se consigue obtener por una parte y de forma rigurosa, el calor absorbido por los diferentes sistemas de la caldera en unidades de “energía térmica” correspondientes al rendimiento directo de caldera (h_D), según (Strehlow, 1985), hallando a continuación la diferencia entre el “calor total disponible” y el “calor entregado a la carga” y por otra parte obteniendo todas las pérdidas correspondientes al rendimiento indirecto (h_I), salvo las P_de, se cotejan ambas partidas y se obtendrá finalmente el “valor exacto” del conjunto de las mismas.

Como es sabido, el cálculo del valor real ó exacto del rendimiento de la caldera, lo proporciona el “Método Directo”, pero en contrapartida, su determinación requiere la obtención de todas las “potencias térmicas entregadas a la carga de caldera”, para lo que se requiere la máxima precisión en la toma de datos (VR, VS, agua de alimentación, etc.), pudiéndose obtener todos los demás datos mediante balances de masa y energía, lo cual a su vez obliga a la instalación a tal efecto de “placas orificio calibradas y certificadas”. Ello, presenta una complejidad tan grande, que parece desaconsejable en la práctica la utilización sistemática del antedicho “Método Directo”.

A fin de poder generalizar el estudio de las P_de, como ya hemos dicho antes, éstas deben aplicarse sobre una caldera representativa de las ya existentes y una de ellas es la caldera objeto de este estudio, cuyas características fundamentales de funcionamiento se pueden observar en la tabla 1. La elección de la misma se debe a que se cuenta con una amplia base de datos (Bonilla et al, 1997).

Tabla 1: Características principales de la CR.

La fiabilidad del valor obtenido en este trabajo, se confirma con un balance de masa y energía global previamente realizado y que garantiza la exactitud de los cálculos del mencionado rendimiento.

Aplicación al “FO Nº 2”

La distribución, de las energías térmicas puestas en juego por los diferentes sistemas de la caldera, que constituyen la “carga de caldera”, se muestra en la tabla 2.

Con esos datos, la diferencia entre el calor disponible en caldera y el calor absorbido por los diferentes sistemas de la misma, son las pérdidas asociadas a la combustión. Así:

          (3)

Asimismo, en la tabla 3 se muestran de forma desglosada, el conjunto de las pérdidas de la CR con respecto al PCS (salvo las P_de), correspondientes al h_I de caldera, obtenidas de forma rigurosa aplicando los cálculos de combustión y las expresiones analíticas.

Tabla 2: Distribución de la carga en la CR.

Tabla 3: Conjunto de pérdidas de la CR con respecto al PCS.

Por tanto el valor de la energía térmica correspondiente a las P_de, vendrá dado por la diferencia entre los dos valores anteriormente mencionados:

             (4)

Así, el valor porcentual real de las mismas sobre el PCS (en masa), resulta:

                         (5)

Por otro lado, la expresión del rendimiento de caldera por el Método Indirecto (que es obviamente idéntico al del Rendimiento Directo) viene dado por:

                    (6)

Así, según sea el valor de las P_de, considerado (convencional o real), se obtiene el respectivo rendimiento de caldera:

                               (7)

OBTENCIÓN DE LAS P_de, EN PROCESOS DE RECONVERSIÓN DE CALDERAS.

Por lo expuesto anteriormente se deduce que, la obtención de las P_de previa evaluación del h_D de la caldera para un combustible dado, en el mejor de los casos resulta una tarea costosa y asimismo compleja, aún admitiendo el supuesto, de que la base de datos obtenida alcance los requisitos mínimos de calidad. En caso contrario, todos los resultados obtenidos pueden alejarse sensiblemente de la realidad, con lo que se habrían desperdiciado grandes recursos, tanto humanos, como económicos. En consecuencia, la pretensión de obtener las P_de para un nuevo combustible, como es el caso concreto de la reconversión de calderas de FO “Nº 2” a GN ó a FO “BIA”, pudiera resultar un objetivo de indudable interés.

El proceso a seguir es en principio obtener el “Rendimiento Global” de la CT, previo conocimiento del “Consumo Específico Neto”. Puesto que se conoce el “rendimiento directo de caldera” antes de la reconversión, se procederá así a evaluar el “Rendimiento del Ciclo”, entendiendo como tal, el rendimiento del resto de sistemas que integran la Central, exceptuando la caldera. Salvo que durante el proceso de reconversión, se hayan realizado modificaciones en equipos y/o componentes del ciclo, que sean susceptibles de alterar el rendimiento del mismo (turbina principal, etc.), cabe convenir, que el citado “rendimiento del ciclo” se va a considerar constante tras la reconversión, según demostró (Peña, 1997).

Sobre la base de lo dicho anteriormente, si tras la reconversión de la caldera se procede a evaluar rigurosamente el CEN, lo cual no presenta grandes dificultades, podremos obtener el “rendimiento real” de caldera con el nuevo combustible, para finalmente deducir el “valor real” de las P_de. Veamos un caso.

Reconversión de FO “Nº 2” a GN.

El consumo específico neto inicial de la CTR, es el siguiente:

             (8)

Que es el inverso de su rendimiento global, aplicando la correspondiente equivalencia de unidades de calor. Así:

         (9)

A su vez, en el rendimiento global de una CT, interviene el rendimiento de caldera y el rendimiento del ciclo (que recordemos se mantiene constante en todo el proceso de reconversión), de forma que su valor puede deducirse de la siguiente expresión:

                                     (10)

Tras la reconversión, el consumo específico neto de GN, vendrá dado por:

              (11)

Por tanto, análogamente al caso anterior obtenemos:

                                          (12)

Así, sustituyendo este valor en la ecuación (6), podemos despejar finalmente el valor real de las P_de y con ello el valor porcentual real de las mismas sobre el PCS (en masa). Así:

                                (13)

El proceso de cálculo de reconversión a FO “BIA”, se realizaría de forma análoga.

RESULTADOS

Las P_de obtenidas sobre la base del PCS, se resumen a continuación:

                         (14)

En la figura 1 se muestran los incrementos de rendimientos indirectos sobre la base, tanto del PCS (a) como del PCI (b), obtenidos en los procesos de reconversión de FO “Nº 2” a GN (parte izquierda) y de FO “Nº 2” a FO “BIA” (parte derecha) respectivamente. En gris es para ciclos convencionales y en negro para ciclos reales.

Fig. 1: Incrementos de rendimiento (%) en procesos de reconversión a GN. a) sobre el PCS, b) sobre el PCI.

CONCLUSIONES

Las estimaciones de las pérdidas de difícil evaluación (P_de) reales obtenidas en este estudio reflejan que éstas son función del tipo de combustible usado y pudiendo ser aplicadas al conjunto de calderas de tiro y circulación forzados y, en términos prácticos, también al resto de calderas de media/alta capacidad.

El valor convencional del 1% sobre el PCS ha sido muy útil para la comparación de rendimientos en calderas y tal y como se ha demostrado aquí se ajusta muy bien cuando el combustible es gas natural. Este método permite afinar el valor para otro tipo de combustibles. Concretamente se ha ensayado para fuel oil (fuel nº 2 y el fuel BIA).

NOMENCLATURA

CEN         Consumo específico neto (kJ/kW h).
CR           Caldera de referencia.
CTR         Central térmica de referencia.
fCr            Créditos de combustión.
FO“BIA”   Fuel-oil bajo índice de S (0,75 % S).
FO“Nº 2”  Fuel-oil número 2 (2,9 % S).
GN           Gas natural.
           Caudal másico (kg/h).
P              Pérdidas.
PCI          Poder calorífico inferior (kJ/kg fuel).
PCS         Poder calorífico superior(kJ/kg fuel).
PDC         Productos de la combustión.
VR           Vapor recalentado.
VS            Vapor sobrecalentado.
W_N           Potencia neta (kWe).

Subíndices

ABS         Absorbido.
AUX         Auxiliar.
co             Relativo a inquemados.
comb       Relativo a la combustión.
cr             Relativo a convección y a radiación.
D              Directo.
de             Difícil evaluación.
DISP        Disponible.
E              Economizador.
F              Fugas.
g               Global.
gs             Relativo a los gases secos.
H              Hogar.
hc             Humedad del combustible.
ha             Humedad del aire.
I                Indirecto.
R              Recalentador.
SP            Vapor de sopladores.

REFERENCIAS

Bonilla, J. J.; J. M., Blanco; L. López y J. M. Sala, Technological recovery potential of waste heat in the industry of the Basque Country, Applied Thermal Engineering, 17 (3), 283-288, (1997).        [ Links ]

Boyer, J. L., Thermal Energy Recovery, 2ª edición, John Wiley & Sons, Londres UK (1978).        [ Links ]

Knaus, D. A.; F. C., Gouldin y D. C., Bingham; Assessment of crossed-plane tomography for flamelet surface normal measurements, Combust. Sci. Technol., 174, 101–134, (2002).        [ Links ]

Londerville, S. B.; J. H., White; Understand limits on reducing both NOx, CO emissions, Power, 136 (7), 56-57, (1992).        [ Links ]

Makansi, J. Special report; Reducing NOx emissions from today’s powerplants, Power, 137 (5), 11-28, (1993).        [ Links ]

Peña, F., Reconversión de calderas de fuelóleo a gas natural, Tesis Doctoral, Departamento de Máquinas y Motores Térmicos, Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao, Universidad del País Vasco, España (1997).        [ Links ]

Strehlow, R.A., Combustion Fundamentals, McGraw-Hill Book Co., (1985).        [ Links ]

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