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Calderas de HTF

Bases de diseño para una planta solar termoeléctrica con tecnología CCP.

Las calderas de aceite térmico serán idénticas y tendrán una potencia neta total de 45 MWt. (potencia unitaria neta de 15 MWt) y un rendimiento térmico mínimo del 90%.

Se situarán en el exterior y proporcionarán protección frente al congelamiento del fluido caloportador durante el tiempo en el que la energía solar no está disponible. Adicionalmente servirán de apoyo a la producción de energía junto con la energía obtenida de la radiación solar.

Todos los equipos y sus componentes auxiliares serán diseñados y fabricados para una vida de diseño de 25 años.

Las calderas estarán equipadas con un precalentador de aire a la salida de los gases de combustión para incrementar la eficiencia en el modo de operación a alta temperatura.

La cámara de combustión de cada caldera será diseñada para:

· Obtener la combustión completa del combustible con una cantidad razonable de exceso de aire.

· Contener la llama y evitar impactos en las tuberías.

· Separación de la zona de radiación de la convección.

· Distribuir el flujo de calor radiante, no siendo superior a 60 kW/m2 para evitar degradaciones del aceite térmico.

· Refrigerar suficientemente los gases de combustión para proteger la sección de convección.

La sección de convección se diseñará para transferir el máximo calor posible de los gases de combustión provenientes de la sección de radiación.

Los quemadores podrán ser montados tanto en el fondo como en las paredes de la cámara de combustión. Cada quemador dispondrá de la correspondiente llama piloto. Se instalarán detectores de llama en cada quemador (piloto o principal) para confirmar si los quemadores están encendidos. Si ningún quemador principal o piloto está encendido, la cámara de combustión será purgada con aire para retirar cualquier gas inflamable antes de proceder al encendido de los quemadores.

Las calderas irán provistas cada una de una válvula de seguridad para protección frente a sobrepresiones debidas a fallos en el sistema de control, incendio u otros sucesos accidentales. Las calderas estarán equipadas con quemadores de bajo NOx.

La carcasa de la cámara de combustión será de chapas de aluminio con aislamiento interno, que puede ser de ladrillo refractario o similar. Con el objetivo de minimizar el tiempo de arranque, es preferible el máximo refractario posible de fibras cerámicas. El aislamiento protegerá la carcasa de la cámara de combustión y deberá reducir las pérdidas de calor por debajo del 2% del calor emitido.

Es necesario que las calderas de aceite térmico sean capaces de arrancar lo más rápido posible. El ofertante debe especificar el tiempo mínimo para llevar a plena carga cada caldera.

Todos los elementos de la caldera serán accesibles mediante plataformas y/o bocas de hombre/inspección.

La formación de atmósferas explosivas, en las calderas, será prevenida. Se cumplirá con la normativa ATEX EN 60079.

Modos de operación de las calderas.

Cada una de las calderas será capaz de operar en dos modos básicos, que son:

Modo 1: baja temperatura

Modo 2: alta temperatura

Ambos modos de operación tendrán un funcionamiento discontinuo, podrán arrancar o parar varias veces a lo largo del día.

Modo 1: operación a baja temperatura

Este modo de operación asegurará la protección frente a congelación del aceite, que se mantendrá en circulación de forma permanente. En el modo de protección contra el congelamiento sólo serán necesarios 10 MWt.

En este modo de operación, la temperatura de entrada del fluido caloportador será de 65 ºC; y la temperatura de salida de 105 ºC. Una de las calderas se pondrá en servicio una vez que la temperatura del fluido caiga por debajo de la temperatura de alarma establecida, empleándose la bomba de fluido térmico de la caldera para hacer circular el fluido a lo largo del sistema. El flujo del fluido caloportador oscilará entre 66 y 145 kg/s.

Si el caudal máximo que puede circular por una caldera fuera inferior a 145 kg/s. el sistema procederá como sigue:

1. Se by-passeará el caudal diferencial entre 145 kg/s y el nominal de la caldera (66 kg/s).

2. La caldera en servicio aportará la potencia necesaria para que la mezcla resultante entre el aceite by-passeado y el que sale de la caldera sea igual a 105 ºC.

3.  El control de esta temperatura lo realizará una sonda situada en el colector general de salida de las calderas. Esta sonda actuará sobre el programa de mando de las calderas.

El control será por cuenta del suministrador de las calderas.

La sonda a instalar en el colector de salida queda excluida del suministro.

Modo 2: operación a alta temperatura.

Durante los periodos de irradiación solar baja, la caldera se usará para elevar la producción de energía eléctrica, y operará en el modo de alta temperatura. En este modo de operación, la temperatura de entrada del fluido será de 302 ºC; y la de salida de 393 ºC. El flujo de fluido caloportador oscilará entre el mínimo técnico de caldera y el nominal de caldera (66 kg/s). La potencia que aportará la caldera será directamente proporcional al caudal másico circulante con el límite inferior indicado.

Descripción del sistema

El sistema de calentamiento auxiliar está compuesto principalmente de los elementos de intercambio de calor y sus elementos secundarios.

Los elementos de intercambio de calor son el cuerpo de serpentines o caldera principal, batería de tubos o precalentador de HTF y economizador o precalentador de aire de combustión. La caldera de serpentines está formada por cuatro serpentines, que se desarrollan en bloque. Este bloque forma dos cuerpos concéntricos, uno dentro del otro. Al de menor diámetro se le denomina serpentín interior y al de mayor diámetro serpentín exterior. El conjunto está dentro de un recipiente formado por la base donde se acopla el quemador de combustión. Se elige este lugar por ser donde mejor y más homogénea es la llama.

Además cuenta con una tapa superior construida al igual que la base por una estructura metálica. Tanto la base como la tapa están cubiertas por una capa de fibra cerámica (block), capaz de soportar las altas temperaturas que se van a dar en el interior y a la vez actuar de aislante para reducir las pérdidas de calor con el exterior.

En la tapa se sitúa el cierre mecánico que impide que los gases procedentes del hogar pasen al tercer paso de humos. La tapa y la base se unen por una virola de chapa de acero altamente resistente al calor.

El conjunto constituye el recipiente de contención de los serpentines. Esta virola está exteriormente aislada por una capa de lana de roca mineral aislante, para evitar las pérdidas de calor con el exterior, y protegida mediante chapa de aluminio o chapa galvanizada perfilada, para mayor resistencia a las inclemencias atmosféricas e impactos.

Cada serpentín está construido con tubo normalizado según norma DIN europea. Los materiales se eligen según el código de cálculo del cuerpo a presión, AD-Merkblatte-2000. La cantidad y sección se determinan en función del caudal, de tal modo que la velocidad máxima no supere los 3 m/s de valor medio.

Los serpentines se construyen con estos tubos dispuestos en paralelo y arrollados  uno junto al otro para formar un cilindro o tubo de paredes húmedas por donde circula el fluido.

Los pasos de gases se establecen como se indica a continuación; el interior del serpentín interior forma el hogar donde se genera la llama de combustión, los gases resultantes del proceso de combustión una vez circula por este primer paso pasan al segundo formado por la generatriz exterior del serpentín interior y la generatriz interior del serpentín exterior, para pasar al final de éste al tercer paso formado por la generatriz exterior del serpentín exterior y el interior de la virola de cierre, llegando al final por donde salen al exterior de este módulo para pasar al recuperador humos/aceite en baja temperatura.

La batería de aceite en baja temperatura está formada por una matriz de tubos de “n x m” con longitud “l” por cuyo interior circula el aceite y mientras que por el exterior circulan los gases.

Para una mayor eficiencia, estos tubos están aleteados mediante fleje metálico en anillos anulares distanciados 8 mm entre ellos, esta batería está dentro de un túnel de paso de gases aislado exteriormente con placa de lana de roca mineral para evitar pérdidas con el exterior y cerrado con chapa de protección.

El economizador es de tubo liso, el tubo está galvanizado para quedar protegido de los posibles efectos de la condensación de gases. Por el interior circulan los gases y por el exterior el aire en flujo cruzado.

Finalmente los gases son evacuados a través de la chimenea y el HTF conducido a los consumos de calor de la planta.

Control del sistema

Se dispondrá de una señal de disponibilidad para cada caldera, es decir, se comprobará que cumple toda la cadena de seguridades para poder comenzar el proceso, asimismo también se comprueba el caudal mínimo (bombas de HTF ya en funcionamiento). Acto seguido, se da permiso de arranque calderas a la caldera en cuestión. Si hay suficiente caudal, se recibe una señal de confirmación de la caldera en marcha. Se asigna el Set Point de temperatura de salida de aceite a través de la señal cableada. Consigna de temperatura salida de aceite, para las  calderas de HTF.

Ajustando el caudal entrada de las calderas mediante las válvulas de control y ajustando el escalón de potencia con el quemador, en 20 escalones, según demanda de temperatura. En la siguiente tabla se muestra la relación escalón-potencia:

La caldera genera el máximo calor posible hasta alcanzar el Set Point de temperatura de trabajo de aceite y lo mantiene modulando entre 1 y 20 escalones a partir de un mínimo de 3,3 MW netos. Por encima de este consumo, el quemador se para por exceso de temperatura de salida de aceite HTF de la caldera y no se reinicia hasta que la temperatura de salida de aceite HTF no baje de 5 ºC de la temperatura de Set Point.

Si el caudal de aceite es mayor de 293 m3/h el quemador ofrecerá el 100% de su potencia (300 ºC). Si el caudal es menor, la potencia se restringirá de forma proporcional. El caudal mínimo de aceite será de 90 m3/h.

Los presostatos de seguridad de aceite que se encuentran en la línea de entrada aceite a cada una de las calderas, protegen la caldera de sobrepresiones que se pueden producir durante su funcionamiento. El quemador se para cuando sobrepasa el Set Point de seguridad de presión máxima de aceite.

El ventilador de combustión de las calderas, se encarga de aportar la cantidad de aire necesario al quemador para que haya una buena combustión.

Las válvulas de 3 vías de gases de las calderas accionadas por los servomotores, son las encargadas de enviar el aire de combustión a través del economizador al quemador o bypasearlo directamente al quemador.

Cuando la temperatura de los gases en la chimenea está por encima de 150 ºC (antifreezing), la válvula de 3 vías dirigirá el aire de combustión directamente al quemador y así evitaremos que se produzca una condensación de agua en el interior del economizador y chimenea.

Los presostatos de seguridad para las calderas se encuentran en el conducto de aire de combustión al quemador y aseguran que haya una presión mínima de aire de combustión en la entrada del quemador.

Las sondas de temperatura de aceite, hacen una lectura de la temperatura que se tiene en la salida de aceite de la caldera.

Estas sondas también se conocen como sondas temperatura de trabajo aceite. Dependiendo del valor de consigna que tengamos seleccionado en el regulador temperatura de trabajo aceite que se ponga en funcionamiento o pare el quemador de gas.

Las sondas de temperatura de aceite situadas en cada uno de los serpentines de la salida de la caldera actúan como sondas de seguridad temperatura máxima de aceite en los serpentines y a su vez monitorizan la diferencia de temperatura entre serpentines y paran el quemador en caso de ser necesario.

Para cada una de las calderas: serpentín nº1 serpentín nº2, serpentín nº3, serpentín nº4.

Cuatro sondas de temperatura SKIN POINT colocadas en el interior de la caldera monitorizan la temperatura que hay en el exterior de las paredes del serpentín y dan una alarma. Esta medida se usa para controlar la temperatura de película del aceite HTF para las calderas.

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