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 (caudal, altura, temperatura) del agua de alimentación de la caldera los calcula el diseñador de la caldera.

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 bombas y el accionamiento se rigen por los desarrollos que han tenido lugar en la tecnología energética. En las centrales eléctricas de combustibles fósiles la tendencia es continua hacia unidades de bloques de energía más grandes.

Hasta 1950, la presión de descarga promedio de los BFP era del orden de 200 bar. En 1955 había aumentado a 400 bar. Los flujos másicos eran del orden de 350 toneladas por hora (t/h) en 1950 y han aumentado a 2.500 t/h (4.000 t/h) en las centrales eléctricas convencionales. Los BFP funcionan a temperaturas de 160 C a 180 C y, en casos excepcionales, incluso más altas.

Los BFP se construyeron con aceros no aleados 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 debido a la introducción de nuevos procesos de tratamiento del agua de alimentación. El desarrollo de aceros al cromo de alta resistencia a la corrosión y con características de funcionamiento de emergencia allanó el camino para el BFP actual con velocidades de 5.000 a 6.000 revoluciones por minuto (rpm). El caudal de BFP aumentó con el aumento de la producción de bloques de energía. Los BFP de carga completa actuales para trenes de potencia tradicionales de 750 megavatios (MW) se construyen con cuatro a cinco etapas, con una presión de etapa de hasta 80 bar.

Para accionar las bombas de alimentación se utilizan motores eléctricos (motores asíncronos). El ajuste de velocidad de un BFP accionado eléctricamente se puede lograr mediante varios medios, incluido el uso de acoplamiento de fluido, variador de frecuencia (VFD) en el motor y cajas de engranajes. Si una planta tiene abundante vapor disponible, también se puede utilizar una turbina de vapor como unidad impulsora. En varios casos, se utilizan turbinas de condensación que funcionan entre 5.000 y 6.000 rpm. Sin embargo, el uso de turbinas de vapor de tipo condensado aumenta la necesidad de equipamiento en el tren. Es esencial utilizar un intercambiador de calor, una bomba de extracción de condensado o similar para un uso eficaz de la unidad.

Si se necesita un BFP para alta presión y altas rpm, 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 el requisito. Para reducir la altura neta de succión positiva requerida (NPSHr), es posible seleccionar las bombas que realizan la primera etapa (succión) como doble succión. El NPSH es más significativo únicamente en la etapa de succión.

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

Las bombas de 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 de anillo, los usuarios de la planta tienden a preferir usar bombas de tipo barril, aunque al principio supone una inversión elevada. 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 respaldo instalada al 100%.

Las carcasas de las bombas 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 surge.

Las carcasas de los barriles suelen estar hechas de acero forjado dúctil y todas las superficies en contacto con el agua de alimentación se recubren con el material austenítico mediante un proceso de revestimiento. Para soldar la carcasa de la bomba a la tubería, se suelda una pieza intermedia compatible para soldar a la tubería y la carcasa de la bomba a los ramales de succión y descarga 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 de anillo se construyen con acero al carbono fundido o forjado (a veces hierro fundido), según la aplicación y los requisitos definidos por el usuario. El sellado de cada carcasa (etapas) entre sí se realiza mediante contacto de metal con metal: las carcasas individuales se sujetan axialmente mediante pernos de sujeción entre las carcasas de las bombas de succión y descarga. El contacto metal con metal es uno de los inconvenientes de la bomba de sección de anillo, ya que restringe el uso de las bombas en aplicaciones de alta temperatura. Los cambios de temperatura se absorben mediante tensiones adicionales en los pernos de unión y las superficies de sellado de las carcasas del escenario.

Las carcasas de las bombas partidas axiales se dividen en dos partes, inferior y superior. La carcasa se desmonta verticalmente al eje. Estas bombas tienen una ventaja en el equilibrio del empuje ya que el número de etapas se pueden montar en direcciones opuestas. Equilibra el empuje con el mínimo esfuerzo.

Por lo general, se recomienda el uso de bombas 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 utilizar bombas de carcasa dividida radial. Una nota importante: los pernos de la carcasa no se consideran parte húmeda en esta bomba debido a la disposición axial dividida.

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 consigue extrayendo agua de una de las etapas de la bomba, tanto en el caso de bombas de barril como de bombas de sección anular. Estas zonas de presión están aisladas entre sí mediante juntas flexibles en espiral y la flexibilidad y el comportamiento frente al choque térmico se adaptan adecuadamente entre sí.

Las BFP están equipadas con ejes de bomba que tienen una distancia adecuada entre cojinetes y se combinan con un gran diámetro de eje. Los impulsores generalmente están contraídos en el eje y, en consecuencia, la flexión estática del eje es pequeña. 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 deben ser absorbidas por el dispositivo de equilibrio.

En una bomba multietapa (tipo barril o sección anular), los impulsores están dispuestos en un eje largo (dependiendo de las etapas) y entre cojinetes. Esta disposición es la causa de que se produzca empuje. Cuando la bomba arranca, el flujo pasa de la succión a la descarga (de la zona de baja presión a la 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 el funcionamiento de la bomba, la magnitud de este empuje axial dependerá de la posición del punto de funcionamiento en la curva de estrangulamiento y del grado de desgaste de 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 hacer funcionar la bomba sin problemas. En las BFP más grandes, el equilibrio del empuje axial sobre el rotor de la bomba se logra mediante 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 un pistón doble con los correspondientes casquillos de estrangulación. Los pistones y 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 utilizar 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 centrales eléctricas típicas.

Las fuerzas radiales surgen del peso del rotor, del desequilibrio mecánico y del empuje radial. El equilibrio de las fuerzas radiales se logra mediante dos cojinetes radiales lubricados con aceite y mediante ranuras de estrangulamiento por las que fluye el fluido axialmente. Estas ranuras de estrangulación, a través de las cuales circula axialmente el fluido, se encuentran en el cuello del rodete o, en el caso de BFP multietapa, en las centrales eléctricas convencionales, en los casquillos de estrangulación de las placas difusoras y en el pistón de compensación. Si el rotor es ligeramente excéntrico, se generará una fuerza de recuperación de centrado en estos espacios, y esta fuerza dependerá del diferencial de presión y de la geometría del espacio. Esta acción restauradora suele denominarse efecto Lomakin. Se reduce cuando el agua de cabeza en el flujo de separación no está en fase puramente líquida. La acción hidrostática de las holguras de estrangulamiento en términos de rigidez mecánica puede superar la rigidez del eje. El sistema está ajustado de manera que la velocidad crítica de rotación siempre permanezca alejada de la velocidad de funcionamiento. Además, se pueden absorber fuerzas de excitación hidráulicas, especialmente en el funcionamiento con carga parcial.

En los BFP se pueden utilizar prensaestopas de empaque blando, sellos mecánicos, sellos flotantes y sellos laberínticos con fines de sellado. El límite de aplicación de los prensaestopas de relleno blando se rige por las posibilidades existentes para la eliminación del calor por fricción. En el caso de prensaestopas de empaque blando y alta resistencia, generalmente hay un preenfriamiento del agua de fuga y un ambiente de la carcasa del prensaestopas, el manguito de protección del eje y el prensaestopas. El material de embalaje suele ser un hilo trenzado de teflón. Este sello de eje se utiliza con éxito en bombas de alimentación de carga completa con una capacidad del tren de potencia de hasta 150 MW.

Las pequeñas fugas de los sellos mecánicos se emiten a la atmósfera en forma de vapor a la salida. El calor por fricción generado es menor que en el caso de los prensaestopas de empaque blando. Generalmente se adopta un sistema de enfriamiento de circuito cerrado, que es impulsado por un dispositivo circulador en el anillo de sello giratorio cuando la bomba está funcionando y por acción de termosifón cuando la bomba está parada.

Se puede utilizar un sello flotante para velocidades circunferenciales altas y presiones de sellado altas. La junta flotante consta de una serie de anillos estranguladores cortos que pueden desplazarse radialmente. Se inyecta un chorro de agua de sellado fría en el sello para garantizar que no pueda salir agua caliente de la bomba. Esta alimentación de agua de sellado debe mantenerse mientras la bomba esté funcionando 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 por la regulación de temperatura diferencial del condensado de sellado.

En caso de aplicación a alta temperatura, más de 80 C, utilice un sello mecánico de simple efecto con el enfriador 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 tal manera que el BFP pueda ponerse en funcionamiento en cualquier condición térmica. Sin embargo, no se puede evitar un contacto físico entre el rotor y la carcasa en lugares con un espacio reducido bajo ciertas circunstancias de operación anormal, por ejemplo, cuando ocurre cavitación o durante un arranque semicaliente, cuando el BFP está deformado. Los lugares afectados son las ranuras de estrangulación en la entrada del impulsor, el casquillo de estrangulación en el difusor y el dispositivo de equilibrio. La combinación de materiales de construcción adecuados en estos lugares, compuestos por aceros cromados resistentes a la corrosión con aleaciones especiales, garantiza buenas condiciones de funcionamiento de emergencia incluso a altas velocidades circunferenciales. Un desgaste elevado en espacios libres reducidos siempre va asociado a una disminución de la eficiencia.

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

Algunos puntos adicionales que se deben aprender durante el estudio de la bomba de agua de alimentación de la caldera se encuentran en la Ecuación 1:

Los fundamentos esenciales a destacar 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 las estaciones centrales funcionan en ciclos y las bombas de alimentación grandes funcionan con cargas variables y en modos 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 los espacios libres internos, la eficiencia de la bomba y una larga vida útil. Este proceso es fundamental para que las bombas multietapa minimicen la distorsión térmica. La distorsión causará los siguientes posibles modos de falla: parpadeo, roce interno, aumento de la holgura 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/holguras de los cojinetes.

Las características y prácticas de instalación que extienden 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 fabricación. Obtuvo una licenciatura en ingeniería mecánica y un ingeniero colegiado certificado de los Institutos de Ingenieros de la India. Puede comunicarse con él en [email protected].