Seguimiento y Tratamiento de Cerrados

Oct 01, 2023

En parte porque son sistemas de circuito cerrado, puede ser fácil ignorar los sistemas de agua de enfriamiento de la planta de energía que respaldan el funcionamiento confiable de todo, desde las barras del estator en el generador hasta los cojinetes de bomba críticos para las bombas de alimentación y los intercambiadores de calor en los compresores de aire. La supervisión y el mantenimiento adecuados de estos sistemas de agua pueden ayudarlo a evitar reparaciones más costosas de los sistemas mecánicos que enfrían.

Puede haber múltiples sistemas de enfriamiento de circuito cerrado en su planta de energía. Es muy probable que enfríen o controlen la temperatura en algunos componentes muy críticos. Los dos que es más probable que existan son el llamado sistema de agua de refrigeración de rodamientos (que se ocupa de algo más que rodamientos) y el sistema de refrigeración del estator, para aquellas plantas que tienen un estator refrigerado por agua. Los sistemas de enfriamiento de circuito cerrado también se pueden encontrar en enfriadores de aire en las entradas de las turbinas de combustión.

Por su propia naturaleza, cuando un sistema de circuito cerrado permanece cerrado y funciona correctamente durante un período de tiempo prolongado, a menudo se olvida, o al menos se descuida. Es posible que no se noten pequeños cambios en la química o las tasas de flujo y las presiones diferenciales en todo el sistema. Sin embargo, una vez que los procesos de corrosión se afianzan en estos sistemas, puede ser muy difícil corregirlos. Mientras tanto, el equipo de datos críticos puede dañarse hasta el punto de afectar la capacidad de operación de la planta.

Comenzamos con algunos principios y prácticas generales para los sistemas de agua de enfriamiento de circuito cerrado antes de ver el sistema de agua de enfriamiento del estator, que es un caso especial.

La mayoría de las centrales eléctricas que utilizan refrigeración por agua de circuito cerrado para sistemas mecánicos (en lugar del ciclo de vapor) tienen varios subsistemas. El sistema de agua de enfriamiento de cojinetes generalmente proporciona enfriamiento para cojinetes y sellos críticos de la bomba, enfriadores de hidrógeno para el generador, aceite lubricante y enfriadores de compresores de aire. Otros sistemas de enfriamiento de circuito cerrado pueden incluir sistemas de agua enfriada para enfriadores de aire utilizados en la entrada de aire a las turbinas de gas en una planta de energía de ciclo combinado y el panel de muestras químicas.

Un sistema de enfriamiento de circuito cerrado puede intercambiar calor con el sistema principal de agua de enfriamiento en intercambiadores de calor convencionales de tubos y carcasa o intercambiadores de calor de placas y marcos. Los sistemas de agua enfriada (enfriadores de aire) intercambian calor con el compresor, que a su vez utiliza una torre de enfriamiento para devolver el calor al medio ambiente.

En general, el agua desmineralizada se utiliza para reponer el agua de enfriamiento de circuito cerrado, pero se requieren tratamientos químicos para evitar la corrosión y, en algunos sistemas, la congelación. Más comúnmente, la tubería en un sistema de circuito cerrado es de acero al carbono. Las superficies de intercambio de calor, como los conjuntos de enfriadores de aire, pueden ser de cobre o incluso de aluminio. Los intercambiadores de calor de placas y marcos a menudo están hechos de placas de acero inoxidable. El cuidado y mantenimiento de estos sistemas requiere que preste atención a todos los metales.

En un sistema de circuito cerrado, las picaduras de oxígeno son el tipo de corrosión más común (Figura 1). Los síntomas de picaduras de oxígeno pueden ser agua oxidada o mantenimiento recurrente de los cojinetes debido a la abrasión causada por los productos de corrosión contra las superficies del sello.

Para que ocurran las picaduras de oxígeno, primero debe haber un depósito que cubra una porción de la superficie del metal, creando una diferencia entre el contenido de oxígeno debajo del depósito y el contenido de oxígeno en el agua a granel. El área deficiente en oxígeno debajo del depósito se convierte en el ánodo, y el área alrededor del depósito que está expuesta a la mayor parte del agua se convierte en el cátodo. Esta configuración de "cátodo grande, ánodo pequeño" provoca picaduras concentradas y aceleradas en un área confinada, lo que produce fugas pequeñas.

Si se permite que las bacterias se propaguen dentro del sistema de circuito cerrado, pueden crear un depósito "vivo". Los subproductos de la respiración bacteriana suelen ser ácidos, y la respiración también consume oxígeno, lo que hace que la base de la biopelícula provoque la corrosión del metal base. Esto fomenta aún más algunos tipos de bacterias, ya que utilizan el metal oxidado en su metabolismo.

Cuando un sistema de enfriamiento de circuito cerrado es hermético, sin pérdida de agua, el tratamiento químico que se aplica puede durar semanas o meses antes de que sea necesario renovarlo. Esto puede conducir a la complacencia. Por otro lado, los sistemas de enfriamiento de circuito cerrado que tienen fugas y que tienen una pérdida significativa de agua pueden ser casi imposibles (ya veces muy costosos) de mantener en los niveles de tratamiento adecuados. Los niveles de tratamiento inadecuados siempre conducirán a la corrosión de estos sistemas.

A continuación, enumeramos algunas opciones que puede usar con éxito para tratar sistemas de enfriamiento de circuito cerrado, como el sistema de agua de enfriamiento de rodamientos o el sistema de enfriador de aire de circuito cerrado. En general, encuentra un programa de tratamiento que funciona bien para los diversos metales en su sistema y los requisitos del sistema (por ejemplo, determina si necesita protección contra congelamiento) y luego lo sigue.

Independientemente de cuál de los tres tratamientos químicos elija, es probable que también contengan tampones de pH (los cáusticos y el borato de sodio son comunes) para mantener un pH alcalino, lo que conduce a minimizar la corrosión en el acero al carbono. Si hay cobre en el sistema de circuito cerrado, se puede agregar un azol al tratamiento para mantener una capa química protectora sobre las superficies metálicas de cobre expuestas.

Nitrito de sodio. El nitrito de sodio se ha utilizado durante muchos años para prevenir la corrosión en una amplia variedad de sistemas de circuito cerrado. El nitrito es un oxidante y esencialmente detiene la corrosión "corroyendo" todo de manera uniforme. Esto parece contradictorio, pero cuando todo se convierte en cátodo y no hay ánodo, la corrosión se detiene.

Un suministro constante de nitrito en el sistema asegura que cualquier punto desnudo que se cree rápidamente se pasiva. Sin embargo, si no hay suficiente nitrito en el circuito de agua enfriada, se puede formar un ánodo en la tubería, y nuevamente tenemos la celda de corrosión de cátodo grande/ánodo pequeño. Las pautas generales para los tratamientos a base de nitrito son para un mínimo de 700 ppm de nitrito.

Los nitritos son utilizados por algunas bacterias como fuente de energía. Si el sistema de circuito cerrado se contamina con estas bacterias, el nivel de nitrito puede disminuir rápidamente. Las bacterias también generan biopelículas, que crean depósitos que producen áreas que son ánodos para el resto de las tuberías. Agregar más nitrito solo acelera aún más la reproducción de las bacterias, lo que empeora el problema. Los sistemas que usan nitrito deben probarse periódicamente para detectar la presencia de bacterias. En algunos sistemas, se agregan biocidas no oxidantes como glutaraldehído o isotiazolina al tratamiento para prevenir el crecimiento bacteriano.

Molibdato de sodio. El molibdato de sodio generalmente se clasifica como un inhibidor de oxidación anódica. El molibdato trabaja con el oxígeno disuelto en el agua para formar un complejo protector de ferricomolibdato en el acero.

Los niveles de tratamiento con molibdato pueden estar entre 200 ppm y 800 ppm como molibdato. Los sistemas de circuito cerrado que utilizan agua desmineralizada tienden a estar en el extremo inferior de este rango. Desafortunadamente, la oferta mundial de molibdato metálico tiende a concentrarse en áreas de inestabilidad política histórica y, a lo largo de los años, los precios del molibdato han variado drásticamente. Esa variabilidad de precios puede hacer que el tratamiento con molibdato sea competitivo con el nitrito, o mucho más caro.

Irónicamente, en los sistemas de circuito cerrado que son muy ajustados, los niveles de oxígeno disuelto pueden caer y, por lo tanto, minimizar la eficacia de un tratamiento con molibdato (que requiere oxígeno disuelto para formar una capa pasiva). Los expertos recomiendan un mínimo de 1 ppm de oxígeno disuelto en sistemas tratados con molibdato.

Tratamientos de polímeros. Los tratamientos con polímeros se han utilizado durante muchos años para evitar la acumulación de incrustaciones y productos de corrosión en torres de refrigeración abiertas. Ahora también se venden polímeros similares para su uso en sistemas de circuito cerrado. Parece que el polímero actúa como un dispersante para cualquier producto de corrosión o incrustaciones que puedan formarse, por lo que evita la corrosión manteniendo la superficie limpia y asegurando que el oxígeno disuelto en el agua ataque todas las superficies de manera uniforme. Esto produce un nivel de corrosión general, pero globalmente bajo.

Una de las ventajas de este tratamiento es que se cree que es muy benigno con el medio ambiente, aunque mientras el sistema de circuito cerrado permanezca cerrado, no debería haber impacto en el medio ambiente.

La clave para mantener su sistema de circuito cerrado funcionando correctamente es el monitoreo regular. Cualquiera que sea el agente activo en su tratamiento (nitrito, molibdato o polímero), la concentración debe controlarse regularmente. Generalmente, las pruebas semanales son suficientes a menos que los niveles del tratamiento estén cayendo. (No lo sabrá si no está monitoreando regularmente). Debido a que el tratamiento contra la corrosión del acero al carbono y el cobre se combinan típicamente en un solo producto, los niveles bajos de tratamiento pueden afectar más que solo la tubería de acero al carbono.

El pH del agua también debe probarse periódicamente. Teniendo en cuenta la cantidad de amortiguación de pH en el tratamiento químico, el pH del agua debe ser sólido como una roca. Las caídas en el pH pueden indicar contaminación bacteriana, particularmente con los tratamientos a base de nitrito. Otra cosa que puede hacer caer el pH son las fugas en el sistema, que traen agua fresca desmineralizada.

Esté atento a otros signos de contaminación bacteriana, como crecimiento viscoso en cualquier mirilla o indicadores de flujo, u olores sépticos cuando se recolecte la muestra. Los intercambiadores de calor de placas y marcos tienen una superficie muy grande y un espacio pequeño para el intercambio de calor entre las placas. La contaminación bacteriana no solo puede afectar seriamente la transferencia de calor, sino que también puede causar fugas en las placas de acero inoxidable. Dependiendo de la presión del sistema de circuito cerrado versus el de circuito abierto en este punto, el agua de refrigeración del rodamiento puede tener fugas o el agua de refrigeración abierta puede tener fugas.

Recuerde que es mucho más fácil prevenir la contaminación bacteriana que tratar de recuperarse de un sistema que está severamente contaminado.

El sistema de agua de refrigeración del estator es un circuito cerrado muy especial por un par de razones. Primero, protege una de las piezas más críticas del equipo: el generador. Solo hay un metal de preocupación en este sistema: el cobre. Y este sistema debe permanecer muy limpio, incluso prístino. Pequeños aumentos de temperatura en las barras de enfriamiento del estator pueden restringir la carga o incluso apagar el generador. Por lo tanto, este sistema requiere especial comprensión, atención y seguimiento (Figura 2).

El agua de enfriamiento del estator está contenida en un sistema de circuito cerrado que enfría las barras de cobre del estator en los generadores enfriados por agua. Las bobinas de cobre contienen hebras huecas en la barra del estator a través de las cuales viaja el agua de refrigeración (Figura 3). Los extremos de las barras del estator a menudo se doblan para adaptarse a la configuración del generador.

A lo largo de las barras del estator, los hilos de cobre, incluidos los que contienen agua de refrigeración del estator, cambian de posición en la propia barra. Por ejemplo, las hebras huecas para el flujo de agua de enfriamiento pueden estar en la esquina superior derecha de una barra de estator en un extremo y salir en algún lugar en el medio de la barra de estator en el otro extremo. Estos cambios de posición de los hilos en una sola barra se conocen como transposición de Roebel y se realizan para reducir las corrientes eléctricas circulantes en las barras del estator.

Los pasajes angostos, las curvas y las torceduras en los hilos huecos de cobre, incluidos los causados ​​por las transposiciones de Roebel, crean muchos lugares para que pequeñas cantidades de productos de corrosión móviles bloqueen parcial o completamente el paso del agua de enfriamiento (Figura 4), lo que hace que la barra del estator para sobrecalentar El sobrecalentamiento de las barras del estator puede resultar en una capacidad de generación reducida o incluso en una falla catastrófica del generador.

Un sistema de agua de refrigeración del estator contiene los siguientes componentes:

■ Un tanque de cabeza que contiene el agua desionizada que proporciona succión a las bombas

■ Bombas de circulación

■ Intercambiador de calor

■ Filtros (filtros de cartucho, filtros de malla o ambos)

■ Desionizador de lecho mixto

■ Monitoreo de flujo, temperatura, conductividad, oxígeno disuelto y, en algunos casos, pH

A menudo hay dos recipientes desionizadores y dos juegos de filtros para permitir que uno se valvule para reemplazar el cartucho del filtro o para reemplazar las resinas de lecho mixto.

El circuito de enfriamiento elimina el calor de las barras del estator y lo transporta a través de los intercambiadores de calor. El agua pasa continuamente a través de un pulidor de lecho mixto que elimina cualquier contaminante iónico soluble que ingrese al agua. Estas impurezas son generalmente dióxido de carbono disuelto y productos de corrosión de cobre ionizados (disueltos).

Las resinas de intercambio iónico también pueden atrapar partículas finas de óxidos de cobre, aunque esto se hace mejor con los filtros de cartucho. La resina de intercambio iónico puede agotarse con el tiempo (como lo indica el aumento de la conductividad). Pero es más común que la presión diferencial a través del lecho de resina (causada por la acumulación de productos de corrosión en las resinas) requiera que se reemplacen las resinas.

Las superficies de transferencia de calor del sistema de agua de enfriamiento del estator son generalmente de cobre puro. La química del cobre en condiciones de oxidación y reducción ha sido objeto de una gran cantidad de investigación, y ahora comprendemos mejor las condiciones que causan la corrosión, que es un problema común.

En presencia de agua de alta pureza, en condiciones de oxígeno disuelto bajo (<20 ppb), el cobre forma una capa pasiva de óxido cuproso (Cu2O). El óxido cúprico (CuO) se puede formar cuando el oxígeno disuelto es alto (>2 ppm). Cualquiera de estos óxidos puede ser estable y crear una capa de óxido pasivo en los canales de las barras del estator. Un pH ligeramente alcalino aumenta la estabilidad de cualquiera de las capas de óxido.

Un cambio significativo en el oxígeno disuelto cambia el potencial electroquímico del agua. Esto puede hacer que el óxido de cobre se convierta de una forma (cúprica) a otra (cuprosa). Durante esta conversión, las capas de óxido se vuelven inestables y se liberarán en el agua, donde se moverán río abajo y se volverán a unir a otra área. Dependiendo de la condición actual del agua, a medida que se vuelven a unir, los depósitos pueden contener cualquiera de los dos óxidos de cobre mencionados anteriormente o cobre metálico. Esta reinserción puede tomar varias formas. La figura 5 muestra los óxidos de cobre que se han depositado en una estructura similar a una pluma en la superficie de cobre. La figura 6 muestra la naturaleza aproximada y aleatoria de los depósitos en el canal.

Es importante entender que no es necesariamente la corrosión de la barra del estator la que crea los problemas. Con tales condiciones de agua pura, las picaduras creadas por cualquier corrosión localizada son muy pequeñas. El problema es la liberación de los óxidos de cobre de un área que se acumulan en otra. La tasa de "corrosión" del cobre puede ser muy baja, pero las condiciones que aceleran la tasa a la que se libera el óxido de cobre en el agua pueden ser muy perjudiciales para la condición del sistema. La velocidad de liberación de los óxidos de cobre también puede verse afectada por el pH y la temperatura.

Hay algo así como un efecto de círculo vicioso aquí. Un aumento en la temperatura del agua de enfriamiento del estator aumenta la tasa de liberación de óxidos de cobre en el agua. Los depósitos y las hebras parcialmente obstruidas pueden reducir el caudal de agua. Cuanto más lento viaja el agua a través de la barra del estator, más caliente se vuelve. Este ciclo puede causar que un problema de enfriamiento del estator surja de la nada.

La mejor manera de evitar problemas de corrosión del cobre y mantener las barras del estator fluyendo y frescas es saber qué opción de tratamiento va a utilizar y monitorear el sistema de enfriamiento de agua del estator de manera adecuada.

El flujo sin obstáculos a través de todas las aberturas de la barra del estator es fundamental para el funcionamiento del generador y para minimizar el transporte de partículas a lugares donde pueden causar bloqueos. Es por eso que el agua de enfriamiento del estator debe monitorearse continuamente en cuanto a conductividad y oxígeno disuelto. La conductividad es crítica y generalmente se mantiene por debajo de 0,5 µS/cm. (El fabricante de su equipo original puede tener límites diferentes).

El monitoreo de la salud de los sistemas de agua del estator incluye no solo los parámetros químicos como el oxígeno disuelto y la conductividad. También implica observar una variedad de temperaturas y presiones relacionadas en busca de tendencias que puedan predecir un problema que se aproxima.

Se recomienda el monitoreo en línea (in situ) de la conductividad y el oxígeno disuelto en los sistemas de estator. El muestreo manual generalmente no se realiza debido a la cantidad de agua requerida para enjuagar las líneas de muestra antes de que uno pueda estar seguro de obtener una muestra precisa, que luego debe ser reemplazada. Esto puede ser un problema.

El diferencial de presión entre los filtros de cartucho y el desionizador de lecho mixto también son importantes. La frecuencia con la que se debe cambiar el filtro, debido a la obstrucción de partículas, es una indicación de las condiciones corrosivas en el sistema. No cambiar los filtros de cartucho o reemplazar las resinas desmineralizadoras cuando la presión diferencial lo requiere acelerará el taponamiento de las barras del estator. La recomendación es reemplazar las resinas desmineralizadoras si la conductividad supera los 0,5 µS/cm o si el diferencial de presión en el desionizador supera los 15 psid. Como medida de precaución, las resinas deben cambiarse cada 18 meses a dos años.

Los filtros de cartucho que normalmente se suministran son de 5 µm, y algunas plantas han descubierto que es útil cambiar a un filtro de cartucho de 1 µm. Cualquier partícula atrapada por los filtros o por las resinas de desionización son partículas que no pueden volver a adherirse a la superficie del canal de enfriamiento del estator.

También es importante monitorear el uso de agua de reposición en un sistema de enfriamiento del estator. Si el sistema está operando bajo un régimen de oxígeno disuelto bajo, el agua de reposición trae el único oxígeno disuelto pero también dióxido de carbono que bajará el pH del agua de enfriamiento del estator y aumentará la tasa de liberación de óxido de cobre, lo que acelerará los problemas de temperatura.

De manera similar, si hay una caída de presión significativa en el desionizador o en los filtros de cartucho, o si hay problemas con las bombas de agua de enfriamiento del estator, todo esto puede ralentizar el flujo del agua de enfriamiento del estator a través del sistema, acelerando la liberación del cobre. óxido y aumentando el potencial de taponamiento.

En un artículo anterior, discutimos las opciones de tratamiento para el agua de enfriamiento del estator con más detalle ("Agua olvidada: química del agua de enfriamiento del estator" en la edición de diciembre de 2007 de POWER). De aquellas centrales eléctricas que tienen estatores enfriados por agua, hay casi una división uniforme de regímenes de oxígeno alto y bajo, con una ligera ventaja numérica para aquellas que operan en el régimen de oxígeno disuelto alto.

El oxígeno disuelto alto requiere mantener más de 2 ppm de oxígeno disuelto en el agua de enfriamiento del estator en todo momento. Esto fuerza al cobre a la forma CuO del óxido y mantiene la capa de pasivación con muy poca liberación de óxido en el agua de refrigeración. Cualquier nivel por debajo de 1 ppm debería generar una acción inmediata para corregir el problema. A menudo, solo dejar ventilado el tanque de cabeza es suficiente para mantener oxigenada el agua de enfriamiento del estator, pero si el hidrógeno se filtra en el agua de enfriamiento, puede desplazar el oxígeno y causar corrosión. El tanque de cabeza abierta también permite la entrada de dióxido de carbono, que puede reducir el pH del agua del estator, lo que aumenta la corrosión. Algunas plantas colocan absorbentes de dióxido de carbono en el respiradero del tanque principal para eliminarlo, antes de que el aire ingrese al tanque.

Operar en un régimen de oxígeno disuelto bajo requiere que el agua de enfriamiento del estator siempre mantenga menos de 20 ppb de oxígeno disuelto, e idealmente lo más bajo posible. Esto genera la capa pasiva de Cu2O pero durante un período de tiempo más largo. La formación del óxido cuproso está limitada por la cantidad de oxígeno disuelto en el agua. Se puede mantener un nivel bajo de oxígeno disuelto manteniendo el sistema libre de fugas para limitar la cantidad de agua de reposición. El oxígeno también puede filtrarse a través de bridas, bombas y sellos. En algunos casos, el oxígeno se filtra a través de una conexión suelta o una brida que crea un efecto venturi, aspirando aire. Algunas plantas cubren el tanque principal con nitrógeno, o incluso hidrógeno, para evitar que entre aire. La condición de bajo nivel de oxígeno debe mantenerse durante las interrupciones importantes, y eso puede requerir algo de planificación.

También se ha demostrado que aumentar el pH del agua de refrigeración del estator es muy eficaz para reducir la corrosión del cobre y las tasas de liberación. Sin embargo, pocas empresas de servicios públicos han optado por seguir los pasos adicionales necesarios para crear y mantener un pH alcalino.

El tratamiento con pH alcalino puede mejorar el régimen de oxígeno disuelto alto o bajo. El pH objetivo para el agua generalmente se considera entre 8,5 y 9,0 y se puede obtener agregando pequeñas cantidades de cáustico al agua o sustituyendo la resina de intercambio de sodio por la resina catiónica en forma de hidrógeno en uno de los recipientes del desionizador y midiendo el agua a través de este. intercambiador hasta que el pH alcance el nivel deseado. ■

—David Daniels ([email protected]) es colaborador frecuente de POWER y científico principal sénior de M&M Engineering Associates Inc.

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