Optimización de bombas de alimentación de calderas

Dec 06, 2023

Uno de los principales componentes internos que consumen energía en una central térmica es la bomba de agua de alimentación de la caldera principal. Su función principal es el suministro de agua a alta presión a la caldera que genera vapor. Su consumo de energía contribuye a la eficiencia térmica general de la planta y a los costos operativos.

Los operadores de centrales eléctricas pueden mejorar la eficiencia térmica de toda la planta hasta en un 0,3% cuando optimizan el sistema de agua de alimentación. Esto puede parecer trivial, pero para una central eléctrica de 900 megavatios (MW), esto equivale a 2,7 MW de energía eléctrica adicional que se puede suministrar a la red. A continuación se presentan prácticas recomendadas para identificar las oportunidades en este sistema:

Al comprar bombas de alimentación de calderas, los operadores de plantas de energía y sus consultores de ingeniería, adquisiciones y construcción (EPC) a menudo priorizan costos de capital más bajos sobre costos operativos más bajos durante todo el ciclo de vida.

Los crecientes costos de energía están desafiando ese argumento comercial, lo que lleva a los operadores de plantas a considerar medidas para minimizar el consumo de energía de las bombas de alimentación de calderas. La recalificación de una bomba de agua de alimentación de una caldera principal es un proyecto importante que requiere una planificación minuciosa por parte de todas las partes.

Los métodos de diseño, ingeniería e implementación de proyectos de optimización de bombas son bien conocidos. Las tecnologías han sido probadas y probadas durante el último medio siglo, pero las bombas de alimentación de calderas también son fundamentales para los procesos de generación de energía. Dejarlos fuera de línea durante los períodos prolongados necesarios para realizar modificaciones puede poner en riesgo la capacidad del operador de la planta para satisfacer la demanda de energía y los objetivos de producción.

Para garantizar el éxito del proyecto, se recomienda que los operadores de la planta hagan las siguientes cuatro preguntas clave para conocer las opciones para minimizar el consumo de energía y liderar con éxito un proyecto de optimización de bombas.

Ésta es una pregunta que suelen plantear los directores de planta y los ingenieros de procesos.

La combinación de diferentes soluciones a nivel del sistema de agua de alimentación puede mejorar la eficiencia térmica general de la planta hasta en un 0,3%. Para una central eléctrica de 900 MW, esto equivale a 2,7 MW de potencia eléctrica adicional que se puede suministrar a la red.

Incluso si se aísla el potencial de la bomba de agua de alimentación de la caldera, un cambio menor en la eficiencia puede presentar ahorros importantes. Esto puede suponer cientos de miles o millones de euros o dólares en reducciones de costes cada año en una central eléctrica típica.

Mejora de la eficiencia en el mundo real

Hace una década se llevó a cabo un proyecto para optimizar el diseño de una bomba centrífuga multietapa de 30 MW instalada para suministrar agua de alimentación a calderas. Se rediseñó todo el sistema hidráulico de la bomba para mejorar la eficiencia general.

Se utilizaron pruebas de dinámica de fluidos computacional (CFD) y modelos a escala para diseñar cambios en componentes individuales, incluidas volutas, cruces cortos y largos, la caja de succión y la descarga final.

En un documento presentado ante la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), se detallaron optimizaciones de diseño que aumentaron la eficiencia general de la bomba en al menos un 3%. Años más tarde, el operador de la planta de energía continúa informando que logra consistentemente ese índice de eficiencia o mejor.

Como resultado, esta planta supercrítica alimentada por carbón ubicada en los Países Bajos ha logrado una reducción del consumo de energía de aproximadamente 10.200 megavatios hora (MWh) al año, un beneficio financiero estimado de 816.000 euros (866.257 dólares) al año.

Además, mejorar la eficiencia de la bomba de alimentación de la caldera generó el beneficio adicional de una reducción de dióxido de carbono (CO2) de aproximadamente 6,120 toneladas métricas al año. Como resultado, el operador de la central eléctrica garantizó el cumplimiento normativo y avanzó en su progreso hacia los objetivos de sostenibilidad de la empresa.

Eficiencia hidráulica antes y después de la optimización de la bomba.

Energía: el mayor costo para las bombas de servicios críticos

Nunca ha habido un argumento comercial más sólido que el actual para optimizar las bombas de alimentación de calderas. Los costos de energía han sido históricamente lo suficientemente bajos como para que las bombas de alimentación de las calderas puedan consumir energía parásita sin un impacto importante en las operaciones o el desempeño financiero. Todo eso ha cambiado debido al aumento de los precios de la energía y los objetivos de descarbonización.

Argumentos comerciales para la optimización de bombas

Los operadores de plantas quieren vender toda la energía que producen para cumplir con los objetivos comerciales. También enfrentan una presión de precios que desafía sus gastos operativos y de capital. Las bombas de agua de alimentación de calderas tienen ciclos de vida esperados de entre 20 y 40 años. Durante el diseño y la construcción de plantas de energía, las bombas generalmente se compran al menor costo inicial posible para modelos que cumplen con los requisitos actuales de agua de alimentación. Estos parámetros pueden cambiar con el tiempo a medida que aumenta la demanda y los operadores de centrales eléctricas aprenden de los datos reales del rendimiento de las bombas.

El gasto de capital original es bajo (aproximadamente 6%) en comparación con los costos totales del ciclo de vida de una bomba de alimentación de caldera. Sin embargo, la energía para alimentar una bomba de agua de alimentación de una caldera puede representar hasta el 50% del coste total del ciclo de vida. Por lo tanto, cualquier cosa que podamos hacer para reclasificar una bomba que aumente su eficiencia, incluso en pequeños incrementos, puede generar rápidamente importantes ahorros en costos de energía durante el largo ciclo de vida del equipo.

El retorno de la inversión típico estimado para un proyecto de optimización de la bomba de alimentación de una caldera se puede lograr en tan solo dos años. Además, muchas naciones ofrecen incentivos para fomentar inversiones que mejoren la eficiencia energética. Algunos también gravan las emisiones de carbono, lo que mejora aún más el argumento comercial para invertir en la optimización de las bombas de alimentación de calderas.

El operador de la central eléctrica del ejemplo anterior evitó los riesgos técnicos de un proyecto de optimización de la bomba de agua de alimentación que podría haber retrasado el retorno programado a la producción total de energía. Cumplir con el cronograma del proyecto de optimización de la planta de energía requirió la reutilización de límites de presión, cojinetes y sellos mecánicos existentes.

Los cambios realizados en la dinámica del rotor, la incipiente altura de succión positiva neta (NPSHi) y las características de empuje axial se validaron primero mediante una variedad de simulaciones antes de que la bomba de alimentación de la caldera fuera retirada de servicio. La mejora esperada de la eficiencia también se confirmó a partir de cambios en el diseño hidráulico mediante pruebas de modelos a escala y análisis CFD. El estudio y las pruebas del modelo duraron un año. La modificación de las bombas de agua de alimentación de la caldera se aprobó tras la finalización exitosa del estudio y la prueba del modelo.

La validación final del rendimiento de la bomba de alimentación de la caldera se realizó in situ mediante pruebas termodinámicas.

No debería haber dudas a la hora de responder a esta pregunta.

El proveedor de la bomba de agua de alimentación de la caldera debe poder completar actualizaciones y reparaciones dentro del cierre programado de los equipos críticos de la planta de energía. No hay tiempo ni presupuesto para retrasos.

Una central eléctrica debe reanudar la producción para satisfacer las demandas de energía de los consumidores y las expectativas de ganancias de los accionistas. Sin embargo, los operadores de centrales eléctricas pueden minimizar los riesgos inherentes a retirar del servicio una bomba de alimentación de caldera para realizar mejoras y reparaciones. Asóciese con un proveedor de control y movimiento de fluidos equipado con recursos para ingeniería, fabricación, pruebas, puesta en servicio y soporte técnico posventa de sus equipos, así como equipos originalmente suministrados por otros OEM.

Servicios necesarios de un socio de optimización de bombas

El socio de optimización necesitará todas las capacidades y recursos discutidos para:

La optimización de un sistema de agua de alimentación de caldera requiere una cuidadosa selección del sistema hidráulico de la bomba para lograr la mejor eficiencia máxima de su clase considerando la velocidad específica óptima. Minimizar la estrangulación de la válvula reguladora de la caldera requiere una revisión basada en datos de los requisitos reales del sistema y cómo se cumplen mediante la estrangulación y, cuando corresponda, los trenes de transmisión de velocidad variable. Dada la línea de sistema típica para este servicio, estos controles deben validarse con respecto al rango operativo permitido de una bomba.

También puede requerir que se minimicen las pérdidas hidráulicas y volumétricas mejorando los diseños y las holguras de las piezas de desgaste y los sellos.

Pieter Teesink es el director de ingeniería global del Programa Energy Advantage de Flowserve. Teesink ha trabajado durante 12 años en Flowserve. Obtuvo una maestría en ingeniería mecánica de la Universidad Tecnológica de Eindhoven. Para obtener más información, visite flowserve.com.