CALDERA DE TIRO DESCENDENTE SUPERCRÍTICA.

Una caldera adaptada para calentar agua hasta una condición supercrítica,

en una operación de un solo paso, que comprende: una primera cámara de combustión (10); una pluralidad de tubos (110) para el trasporte del agua, incluyendo cada tubo una parte vertical, estando localizado cada tubo, al menos parcialmente, en la primera cámara de combustión (10); y medios de calentamiento (20, 22) para calentar la primera cámara de combustión; caracterizada por que: la perforación interna de cada tubo está estriada o ranurada para adaptarla para que funcione a un flujo másico de menos de 1300 kg /m2s, y por que la caldera es una caldera de tiro descendente, y los medios de calentamiento comprenden uno o más quemadores de tiro descendente (22) montados en arcos de la caldera para dirigir el calor hacia abajo, hacia la primera cámara de combustión (10)

La presente invención se refiere a calderas. En particular, pero no exclusivamente, la invención se refiere a calderas capaces de utilizar combustibles de baja volatilidad en condiciones supercríticas.

Las centrales eléctricas modernas están diseñadas para obtener alta eficiencia. Aparte de ventajas económicas, esto tiene también ventajas medioambientales, tales como la reducción de la utilización de combustible, la cantidad de ceniza/humos generados, y los niveles de contaminantes y dióxido de carbono emitidos.

La mayoría de las grandes plantas térmicas europeas que se han puesto en marcha durante la pasada década y que usan combustibles fósiles, han utilizado parámetros de vapor supercrítico para conseguir eficiencias más altas. Estas plantas están basadas típicamente en la tecnología de carbón pulverizado (PC). Las temperaturas y presiones del vapor se han visto incrementadas continuamente durante este tiempo. Sin embargo, un límite que se alcanza es la máxima temperatura que pueden tolerar los metales usados en los tubos de la caldera y en los álabes de la turbina.

Es ventajoso utilizar combustibles de bajo coste junto con condiciones de vapor de alta eficiencia. Además, las emisiones se reducirán en comparación con una unidad de tamaño similar que funciona en condiciones de vapor subcrítico.

Hay dos tipos de diseños de calderas supercríticas que se usan actualmente. El primer tipo utiliza tubos orientados verticalmente y funciona a flujos másicos por tubo de 1500 kg/m2s, o mayores (alto flujo másico). Los tubos tienen que estar apropiadamente dimensionados, típicamente con un diámetro interno entre 15 y 45 mm y dispuestos en un único paso o en múltiples pasos, en la parte inferior del horno de la caldera, donde están situados los quemadores y el aporte de calor es alto para asegurar un enfriamiento suficiente.

Típicamente, una disposición de tubo vertical no requiere miembros de soporte adicionales, distintos de los que dan rigidez estructural.

Esta disposición de una caldera de un solo paso, con los tubos orientados verticalmente que funcionan a flujos másicos por tubo altos (>1500 kg/m2s) es, generalmente, el diseño menos preferido para nuevos proyectos, debido a las dificultades de operación y otras que surgen de este diseño.

El segundo tipo de caldera supercrítica utiliza una disposición en espiral de los tubos para formar la parte inferior del horno de la caldera, donde están situados los quemadores, y el aporte de calor es alto para asegurar un enfriamiento suficiente. Esta disposición en espiral utiliza menos tubos para obtener el flujo deseado por tubo, enrollándolos alrededor de la caldera para crear una envolvente. La disposición también tiene el beneficio hacer pasar todos los tubos por todas las zonas de calor, para mantener una temperatura de fluido sustancialmente uniforme en la salida de esta parte inferior del horno de la caldera.

Sin embargo, este enrollamiento de los tubos alrededor de la caldera aumenta los costes y la complejidad asociada con la fabricación e instalación. Más aún, típicamente se necesitan barras verticales de soporte adicionales. También, la selección de un diámetro apropiado del tubo es de nuevo necesaria ya que las condiciones termodinámicas similares prevalecen.

Las calderas son de circulación natural, de circulación forzada o de un solo paso en cuanto al tipo. Todas ellas puede funcionar en condiciones de vapor subcrítico, pero solo los calderas de un solo paso ofrecen la posibilidad de funcionar en condiciones de vapor supercrítico. El tipo de caldera de un solo paso usado más habitualmente es la caldera Benson. Funciona típicamente a niveles de potencia de hasta 1300 MWe, a presiones de vapor de hasta 350 bar, y temperatura del vapor de hasta 600ºC o más. Tales calderas pueden proporcionar un ciclo de agua/vapor eficiente, altas temperaturas de vapor, insensibilidad a la cantidad de vapor producido y temperatura del vapor para propiedades fluctuantes del combustible, la capacidad para cambios rápidos de carga debido al funcionamiento a presión variable y tiempos cortos de puesta en marcha.

En las calderas de un solo paso, el flujo másico normalmente es demasiado alto para permitir que el flujo se redistribuya de forma natural hacia los tubos que tienen un mayor aporte de calor, para protegerlos de sobrecalentamiento. Más aún, una caldera de un solo paso de alto flujo másico tendrá una circulación forzada característica, de manera que el flujo disminuye con el aumento del aporte de calor. Aunque el tubo de una caldera de circulación natural que recibe más calor que un tubo medio retira más flujo naturalmente, lo que aumenta el enfriamiento y protege al tubo del sobrecalentamiento, en una caldera de un solo paso de circulación forzada con alto flujo másico, el tubo que recibe más calor que el tubo medio recibe menos flujo. Esto puede dar como resultado un incremento aún mayor de la temperatura de la pared del tubo y un fallo potencial del tubo.

Por lo tanto, tanto la caldera supercrítica de tubos verticales como de tubos en espiral, requiere un flujo másico relativamente alto por tubo para el enfriamiento.

Los diseños de calderas de flujo másico medio se han intentado en calderas de circulación forzada de un solo paso. Sin embargo, estas calderas típicamente tienen un peor rendimiento que los diseños de alto flujo másico. Cuando el flujo másico se reduce durante la reducción de carga en un tubo que recibe más calor que la media, el flujo restante estará menos capacitado para proporcionar un enfriamiento aceptable.

Es ventajoso proporcionar un diseño para un caldera de un solo paso que tenga tubos verticales y una capacidad de funcionar a una presión variable a lo largo del intervalo de carga mientras que exhiba características de circulación natural, protegiendo así a los tubos del sobrecalentamiento. Es deseable que el flujo másico sea bajo para promover la característica de circulación natural, minimizar las pérdidas de presión de la caldera y reducir la potencia de la bomba requerida.

Un desarrollo reciente es usar tubos verticales con un flujo másico más pequeño (menor de 1300 kg/m2s en los tubos del horno), estando los tubos estriados o ranurados por dentro. La transferencia de calor en un tubo ranurado se mejora especialmente durante la evaporación, porque las fuerzas centrífugas transportan la fracción de agua del vapor húmedo a la pared del tubo. El humedecimiento de la pared da como resultado una transferencia de calor mayor de la pared al fluido. Una disposición de tubos verticales ranurados permite un diseño con un flujo másico menor, lo que a su vez cambia las características de flujo de un sistema de un solo paso. El aumento del aporte de calor a un tubo individual supone un aumento de la capacidad de procesamiento para el tubo en cuestión, debido a la circulación natural o característica de flujo positivo.

Es necesario optimizar el tamaño y la disposición geométrica de las estrías o ranuras internas del tubo para permitir una reducción suficiente del flujo másico, para posibilitar que el horno de la caldera de un solo paso se enfríe con éxito en un solo paso vertical.

La mayoría de las calderas de un solo paso en funcionamiento hoy en día tienen unas paredes de caldera construidas de tubos perforados lisos para una transferencia de calor con alto flujo másico. Aunque algunas calderas de un solo paso utilizan tubos ranurados, de momento funcionan típicamente a flujos másicos altos.

Existen problemas particulares cuando se usan combustibles de baja volatilidad como el carbón. El encendido del combustible y también los niveles bajos de carbón no quemado, se hacen más difíciles de conseguir a medida que se reduce el contenido de volátiles. Par superar estas dificultades, es necesario asegurar un tiempo de residencia más largo del combustible en la caldera. Otros requisitos son un granulado fino del combustible, cuidadosa admisión de aire y una cubierta refractaria de la caldera optimizada.

La tecnología de calderas de tiro descendente, o llama en W, es la más ampliamente usada para quemar carbones poco volátiles. Estos tipos de calderas son especialmente adecuados para su uso con carbones de antracita que son los carbones que contienen menos del 10% de materia volátil (en seco, sin ceniza). Sin embargo, la configuración geométrica de la caldera de tiro descendente, o de llama en W, no se presta a la adopción de las condiciones de vapor supercrítico de un...

1. Una caldera adaptada para calentar agua hasta una condición supercrítica, en una

operación de un solo paso, que comprende:

una primera cámara de combustión (10);

una pluralidad de tubos (110) para el trasporte del agua, incluyendo cada tubo una parte vertical, estando localizado cada tubo, al menos parcialmente, en la primera cámara de combustión (10); y

medios de calentamiento (20, 22) para calentar la primera cámara de combustión; caracterizada por que:

la perforación interna de cada tubo está estriada o ranurada para adaptarla para que

funcione a un flujo másico de menos de 1300 kg /m2s, y por que la caldera es una caldera de tiro descendente, y los medios de calentamiento comprenden uno o más quemadores de tiro descendente

(22) montados en arcos de la caldera para dirigir el calor hacia abajo, hacia la primera cámara de combustión (10).

2. Una caldera de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el diámetro de cada tubo

(110) es menor de 38 mm

3. Una caldera de acuerdo con la reivindicación 2, en la que el diámetro de cada tubo

(110) es de aproximadamente 25 mm.

4. Una caldera de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la a caldera incluye una pluralidad de miembros de soporte (40).

5. Una caldera de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que cada tubo (110) tiene una única entrada y una única salida

6. Un método para calentar agua hasta una condición supercrítica, que comprende:

transportar el agua dentro de una pluralidad de tubos hacia una primera cámara de combustión (10) proporcionada en una caldera, incluyendo cada tubo una parte vertical, estando localizado cada tubo, al menos parcialmente, en una cámara de combustión; y

calentar la primera cámara de combustión (10) de tal modo que el agua en cada tubo

(110) se caliente hasta una condición supercrítica en una operación de un solo paso; caracterizado por que

la perforación interna de cada tubo está estriada o ranurada para funcionar a un flujo másico de menos de 1300 kg /m2s, y por que

la primera cámara de combustión (10) se proporciona en una caldera de tiro descendente, y la primera cámara de combustión (10) se calienta usando uno o más quemadores (22) montados en arcos de la caldera para dirigir el calor hacia abajo, hacia la primera cámara de combustión (10).