monitorización del rendimiento térmico del secundario de cn ascó

39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
MONITORIZACIÓN DEL RENDIMIENTO TÉRMICO
DEL SECUNDARIO DE C. N. ASCÓ (BOP)
Sara Carrasco
ANAV
[email protected]
El circuito secundario constituye un sistema de transferencia de la energía
producida en el reactor, para su aprovechamiento en el sistema de generación
de energía eléctrica.
El plan de monitorización del rendimiento térmico del secundario de C. N. Ascó
incluye, por un lado, parámetros de seguimiento global del ciclo, donde se
analiza las condiciones de contorno como la potencia del reactor y las
condiciones del foco frío y, por otro lado, parámetros específicos de los
principales equipos, (generadores de vapor, turbina, condensador, etc.).
Los principales objetivos de la monitorización del BOP son la mejora de la
fiabilidad y de la seguridad, maximizar la potencia eléctrica generada por la
planta, minimizar el calor rechazado al medio ambiente, establecer medidas de
mejora o corrección, así como realimentación al programa de mantenimiento
preventivo.
1.
INTRODUCCIÓN
El circuito secundario constituye un sistema de transferencia de la energía producida en el reactor,
para su aprovechamiento en el sistema de generación de energía eléctrica. Este circuito está
constituido por varios sistemas o equipos: generadores de vapor, turbina (turbina de alta y baja
presión), recalentadores separadores de humedad (MSR), condensador, sistema de condensado
(calentadores de baja presión), sistema de agua de alimentación principal (calentadores de alta
presión) y bombas asociadas. El plan de monitorización del rendimiento térmico del secundario
debe tener la visión global de todo el circuito, no debiéndose considerar la separación por sistemas
y/o componentes, ya que la mayoría de parámetros a monitorizar están íntimamente relacionados
entre sí.
Los principales objetivos que se esperan conseguir a través del programa de seguimiento del
rendimiento del secundario, se resumen en:
o
o
o
Mejora de la fiabilidad y de la seguridad. El adecuado seguimiento de prestaciones,
permite la identificación precoz de eventuales anomalías y su corrección antes de que se
produzca un fallo inesperado del equipo.
Maximizar la potencia eléctrica generada por las Plantas. En general, toda pérdida
imprevista de potencia de salida será debida al mal funcionamiento de algún equipo. Las
pérdidas térmicas, como fugas de vapor o agua de alta energía, además de la evidente
repercusión económica por reducción de la producción, son perjudiciales para equipos y
líneas, ya que la energía degradada en el componente produce aumento de fenómenos
como la erosión.
Minimizar el calor rechazado al medio ambiente. El maximizar la potencia eléctrica en el
generador principal tiene como consecuencia directa la minimización de la energía
rechazada en el condensador, con la correspondiente mejora medioambiental.
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o
Mantener informada a la organización de forma adecuada. De los resultados del
seguimiento del secundario, se obtendrán posibles acciones correctivas, propuestas de
mejora y realimentaciones al programa de mantenimiento preventivo.
El plan de monitorización del rendimiento térmico del secundario de C. N. Ascó incluye, por un
lado, parámetros de seguimiento global del ciclo, donde se analiza las condiciones de contorno
como la potencia del reactor y las condiciones del foco frío y, por otro lado, parámetros específicos
de los principales equipos (generadores de vapor, turbina, condensador, calentadores, etc.).
2.
DEFINICIÓN DEL PLAN DE MONITORIZACIÓN
La sistemática para la realización e implantación del sistema de monitorización del rendimiento
térmico del secundario, se basa en los siguientes puntos:
1.
2.
Establecimiento de un programa de seguimiento (Monitorización).

Selección de equipos que se monitorizarán, en función de su importancia y de la
disponibilidad de instrumentación permanente.

Definición de los parámetros que deben ser monitorizados, así como sus criterios de
aceptación de prestaciones.
Análisis continuo del comportamiento de los equipos.
Debe procederse a la evaluación sistemática de las tendencias de los parámetros monitorizados,
para garantizar un funcionamiento en el punto óptimo de rendimiento, así como para la
identificación precoz de eventuales anomalías.
3.
Realimentación a los programas de mantenimiento preventivo.
En función de los resultados obtenidos, puede ser necesario modificar las gamas de
mantenimiento, ya sea en el alcance de las tareas, como en las frecuencias de realización.
4.
Realización de informes.
De los resultados del seguimiento de prestaciones, se obtendrá información relevante para la
organización, tanto en el caso de detección de anomalías, como si se obtiene un funcionamiento
óptimo. Ingeniería en Planta de C. N. Ascó, tras la recopilación de datos y elaboración de los
resultados prepara informes de diferente tipología: informe semanal, con los datos obtenidos del
seguimiento global del circuito secundario; informes semestrales y de ciclo, con seguimiento de
todos los parámetros; e informe de anomalías específicos.
3.
PLAN DE MONITORIZACIÓN
A continuación se establece el alcance y parámetros del plan de monitorización del rendimiento
térmico del secundario de C. N. Ascó.
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Figura 1. Circuito secundario
3.1. SEGUIMIENTO GLOBAL
Este primer grupo de parámetros a monitorizar es el que proporcionará una idea general del estado
de funcionamiento de la planta, permitirán una primera visión para confirmar que la planta está
funcionando con normalidad y dentro de parámetros aceptables. En caso contrario, alertarán sobre
la necesidad de profundizar en la detección de las posibles anomalías.
Los principales parámetros son:
 Rendimiento del Ciclo: rendimiento bruto, rendimiento neto, Heat rate y factor de carga
 Seguimiento respecto a foco frío
Potencia generada en el alternador, respecto a la temperatura del agua de
circulación
Potencia generada en el alternador, respecto al vacío del condensador
Vacío en el condensador respecto a la temperatura de circulación
 Potencia eléctrica generada comparada con la potencia esperada teórica: se calcula la
potencia esperada teórica en base al balance térmico teórico y teniendo en cuenta
correcciones de los principales parámetros según las condiciones reales (presión de
vacío, TTD (Diferencia de Temperatura Terminal) de MSR y calentadores, pérdidas del
alternador, etc.)
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Figura 2. Ejemplos del seguimiento global del rendimiento térmico del secundario
3.2. GENERADORES DE VAPOR (GV)
Los generadores de vapor (GV) pueden considerarse como cambiadores de calor. Desde el punto
de vista térmico, el principal parámetro a monitorizar es el coeficiente global de transferencia de
calor. Su evolución permitirá conocer el eventual ensuciamiento de los tubos. En caso de tomar
como constante la superficie de intercambio, el taponado de tubos que, eventualmente, se realice
también afectará al valor del coeficiente de transferencia.
Los principales parámetros son:
 Potencia térmica en GV: potencia térmica global de los GV, potencia térmica
individualizada de cada GV
 Coeficiente de transmisión de calor
 Purga de los GV: caudal de purga de los GV, carga térmica de la purga de los GV
3.3. TURBINAS DE ALTA PRESIÓN Y BAJA PRESIÓN (TAP Y TBP)
En C. N. Ascó se dispone de una turbina de alta presión y dos turbinas de baja presión.
La turbina de alta presión (TAP) recibe el vapor principal a través de las válvulas de regulación y
convierte parte de la energía térmica del vapor en energía mecánica, por la expansión del vapor a
través de las diferentes ruedas de álabes. Su contribución a la potencia total del turbogenerador es
del orden del 30%. Por tanto, una pérdida de rendimiento de la turbina de alta presión afectaría en
dichas proporciones al rendimiento general de la planta.
Las turbinas de baja presión (TBP) reciben vapor recalentado procedente de los MSR, convirtiendo
la energía térmica del vapor en energía mecánica por la expansión del vapor a través de las
diferentes ruedas de álabes, desde la presión de entrada hasta la existente en el condensador. Su
contribución a la potencia total del turbogenerador es del orden del 70% en C. N. Ascó.
Los parámetros indicativos del rendimiento de las turbinas son:
 Potencia mecánica generada. Como se ha indicado anteriormente, para una
determinada potencia térmica en Generadores de Vapor, la turbina de alta presión debe
generar una potencia mecánica constante. La potencia de las turbinas de baja presión
se ve influenciada notablemente por las condiciones de presión en el condensador, por
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



lo que el seguimiento de su tendencia debe realizarse siempre, en función del vacío
existente.
Presión en la primera etapa. La presión en la primera etapa de turbina es una función
del caudal de vapor que entra en la misma. Para una determinada potencia térmica, una
disminución de esta presión es indicativa de un menor caudal de vapor que llega a la
turbina. Las causas más probables de la disminución de caudal de vapor pueden ser:
o Fugas de vapor principal al condensador (pocetes de purga de líneas de vapor
principal o válvulas del steam-dump).
o Funcionamiento anómalo de la segunda etapa de MSR o exceso de consumo por
apertura inadecuada de la válvula de drenaje del cuarto paso.
o Error conservador en la determinación de la potencia térmica por deriva en la
instrumentación de medida del caudal de agua de alimentación principal (APP). En
este caso, también se verán afectados los parámetros de seguimiento del caudal
de agua de alimentación (venturis de AAP, caudal de condensado y drenaje de
calentadores, etc.), ya que se estaría produciendo un descenso en la potencia
realmente generada.
Presión en extracciones y escape. La relación entre la presión en las extracciones y la
de la primera etapa, así como la del escape con respecto a la primera etapa, deben ser
constantes. Sin embargo, en el caso de las de baja presión, tanto el escape como las
extracciones de más baja presión están influenciados por la presión en el condensador,
por lo que existirá una variación estacional. Una alteración en estos ratios es indicativa
de anomalías en la turbina, como by-pass de vapor entre etapas a través de los anillos
de cierres intermedios.
Rendimiento de la primera etapa TBP. La extracción de más alta presión en las turbinas
de baja, está en la zona de vapor recalentado, por lo que es posible la monitorización
del rendimiento de la primera etapa (entre la admisión y primera extracción). Cualquier
variación en el valor de este rendimiento, pondrá de manifiesto una degradación del
comportamiento de la primera etapa de las turbinas de baja presión.
Pérdida de carga del escape. Otro parámetro que debe seguirse es la pérdida de carga
existente entre el cuello del condensador y el escape de las turbinas de baja presión. La
presión medida en el cuello del condensador será menor que la determinada en los
escapes. Teóricamente, esta diferencia de presión es función del cuadrado de la
velocidad del vapor en el escape de la turbina, la cual, a su vez, es proporcional al
caudal, por tanto, para una determinada carga (normalmente el 100%) existirá una
variación en esta caída de presión, que aumentará a medida que disminuye el vacío en
el condensador, aumentando las pérdidas. Se alcanzará un punto (choked flow) en el
que una mejora en el vacío del condensador ya no producirá ningún aumento de la
potencia de salida, ya que la presión efectiva en el escape de turbina no se reducirá,
debido al aumento de las pérdidas de carga.
3.4. CONDENSADOR
El vapor del escape de las turbinas de baja presión se condensa para devolverlo como agua de
alimentación a los generadores de vapor. El calor que cede el vapor, al condensarse, se transmite
al agua de circulación que fluye por el interior de los tubos.
Como se ha indicado en el punto relativo a las turbinas de baja presión, la presión existente en el
escape es determinante para la potencia entregada por la turbina de baja presión. Esta presión
está condicionada al vacío en el condensador. Por tanto, debe prestarse una especial atención al
seguimiento del funcionamiento del condensador.
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Los parámetros indicativos del rendimiento del condensador son:








Potencia respecto a vacío.
Vacío respecto a temperatura del agua de circulación.
Vacío respecto a temperatura del condensado
Potencia respecto a temperatura del agua de circulación.
Coeficiente de transferencia térmica.
Caudal de agua de circulación.
Presión diferencial en cajas de agua del condensador.
Subenfriamiento del condensado. Si el nivel en el condensador, es excesivamente alto, y
sumerge algunas de las filas de tubos, el condensado que se dirige a las bombas tendrá
un cierto grado de subenfriamiento, debido a la refrigeración adicional a la que se le ha
sometido. Esto hará que para alcanzar de nuevo la temperatura de entrada a los
Generadores de Vapor deba consumirse más energía del ciclo.
3.5. RECALENTADORES SEPARADORES DE HUMEDAD (MSR)
El objetivo de los MSR es proporcionar vapor de la mejor calidad posible a las turbinas de baja
presión. El vapor de escape de la turbina de alta presión tiene un grado de humedad muy alto (1215%), por lo que, si se introdujera directamente en las de baja presión, se producirían daños por
erosión en los álabes en un plazo muy breve.
El recalentado mejora la eficiencia térmica de las turbinas de baja presión, al entrar el vapor con
una entalpía más alta. También se mejora la eficiencia mecánica, ya que se reducen las pérdidas
por rozamiento de las gotas de agua contra los álabes. Cuanto mayor es el recalentado, menor es
el contenido de humedad del vapor, a medida que se expansiona en la turbina de baja presión, y,
por tanto, mejor el rendimiento mecánico de la misma.
Como contrapartida, a mayor recalentado también es mayor el consumo de vapor y, por tanto, se
reduce el caudal disponible en las turbinas. La situación ideal para el ciclo global, debe combinar
un adecuado grado de recalentado, con un mínimo consumo de vapor.
Los parámetros a monitorizar en estos componentes están muy condicionados a la escasa
instrumentación disponible en C. N. Ascó.
 Diferencia térmica terminal en la 2ª etapa (TTD): esta es la diferencia de temperatura
entre el vapor de entrada y la salida de vapor recalentado.
 Temperaturas de drenajes de los recalentadores. Son función del funcionamiento del
cuarto paso de los recalentadores.
 Caída de presión a través del MSR. Es un parámetro con gran incidencia en el
rendimiento de las turbinas de baja presión.
 Temperatura de drenaje de los separadores de humedad. Permite tener una medida
aproximada de la presión en la salida del separador y, por tanto, evaluar la pérdida de
carga particular de este elemento.
3.6. CALENTADORES DE ALTA Y BAJA PRESIÓN
Los calentadores de agua de alimentación son intercambiadores de calor de tubos en U, que
efectúan el calentamiento del agua de alimentación, desde la temperatura de condensación, hasta
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la de entrada a los GV. El calentamiento se realiza mediante vapor que procede en su mayor parte
de extracciones de la turbina. En los de alta presión, también se aportan los drenajes de los MSR.
La incidencia en el rendimiento final del ciclo es importante en los calentadores de más alta
presión, teniendo menos relevancia la del resto. Una reducción de rendimiento en un calentador
intermedio es parcialmente compensada por un incremento en el siguiente, que asumirá el
aumento de temperatura que no se ha realizado en el paso anterior. La pérdida de rendimiento en
el de alta presión supone un consumo de vapor de extracción de más energía.
En general, una pérdida de eficiencia en el tren de calentadores de alta presión, producirá una
menor temperatura de entrada del agua de alimentación a los Generadores de Vapor y, con ello, un
mayor salto entálpico. Para una misma potencia térmica, el equilibrio en el secundario se realizará
con un menor caudal de agua de alimentación y, por tanto, menor caudal de vapor generado y
disponible en las turbinas.
Los parámetros a monitorizar son los correspondientes a los cambiadores de calor y son:
 Diferencia Terminal de Temperaturas (TTD). Es la diferencia entre la temperatura del
vapor de entrada y la de salida del agua de alimentación.
 Aproximación Subenfriador (DCA). En los calentadores que disponen de zona de
subenfriamiento, es la diferencia entre la temperatura del drenaje de carcasa y la
temperatura de entrada a tubos del agua de alimentación.
 Incremento de Temperatura. Es directamente la diferencia entre la temperatura de salida
y la de entrada del agua de alimentación.
 Coeficiente de transferencia de calor.
La problemática más común en los calentadores de agua de alimentación es:
 Problemas con el control de nivel.
o Alto nivel. Se reduce la superficie efectiva de la zona de condensación y se
incrementa la de subenfriamiento. Puede observarse un incremento en la TTD y
reducción de la DCA. La transferencia de calor disminuye, pues la zona de
condensación es la que produce el mayor intercambio térmico.
o Bajo nivel. Tiene el efecto opuesto, la capacidad de transferencia de calor
aumenta, pero existe el riesgo de erosión en partes internas.
 Rotura de tubos. Los parámetros que alertan sobre la rotura de tubos son los caudales
de drenajes. Un aumento de los mismos (no relacionados con aumento de carga), puede
ser síntoma de una rotura. El balance de caudales de condensado, drenaje de
calentadores y agua de alimentación, permitirá confirmar la existencia de la rotura.
 By-pass de caudal. Los calentadores de tubos en U suelen tener la entrada y salida del
agua de alimentación en una cámara hemisférica, dividida por una placa de separación.
La pérdida de estanqueidad en dicha placa, un by-pass que hace que parte del agua fría
de la entrada pase directamente a la salida, mezclándose con la caliente de la salida, y
por tanto reduciendo su temperatura. Esta anomalía se detecta por una disminución en
la temperatura del calentador, causada por una menor temperatura de salida. En este
caso, la carga efectiva en el calentador disminuye y, por tanto, se debe observar una
reducción de los caudales de drenaje.
3.7. BOMBAS
Las bombas incluidas en la monitorización del rendimiento térmico del circuito secundario son las
turbobombas de agua de alimentación principal TBAAP, bombas de condensado, bombas de
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drenaje de calentadores y bombas de agua de circulación. Desde el punto de vista de
monitorización del rendimiento térmico, únicamente interesa conocer la potencia que aportan y
consumen del ciclo. El resto de parámetros de funcionamiento, vibraciones, punto de
funcionamiento, etc., no se incluyen dentro del alcance.
Las bombas de agua de alimentación principal están accionadas por una turbina de vapor. En
condiciones normales de operación, las turbinas de accionamiento se alimentan con vapor
recalentado procedente de la salida de los MSR. Por tanto, a mayor consumo en las TBAAP, menor
será el vapor disponible para las turbinas de baja presión. Existirá una variación estacional en el
rendimiento de la turbina, en función del vacío del condensador, por lo que, en la época estival, su
consumo será mayor que en el invernal, para una misma potencia aportada al ciclo por la bomba.
Las bombas de condensado, drenaje de calentadores y agua de circulación están accionadas por
motores eléctricos. Su punto de funcionamiento Caudal/Altura deberá estar situado sobre la curva
de valores esperados.
Los parámetros a monitorizar son:





4.
Potencia hidráulica
Potencia de turbina de accionamiento, en el caso de las TBAAP
Potencia del motor, en el caso del resto de bombas
Rendimiento
Punto de funcionamiento caudal – altura según curvas teóricas.
CONCLUSIONES
La monitorización del rendimiento térmico del secundario es una tarea que requiere de la
recolección y análisis de un gran número de variables, que son procesadas de acuerdo a una
formulación basada en los apartados anteriormente descritos. El modelo de rendimiento térmico se
ha implementado en una herramienta informática que recopila los datos de planta con una
frecuencia de 1 hora. Esta información debe ser analizada por el ingeniero de sistemas, con los
criterios expuestos en esta ponencia, que es donde radica el valor añadido de esta sistemática.
Los principales objetivos que se esperan conseguir a través del programa de seguimiento del
rendimiento térmico del secundario, se resumen en:
o
o
o
o
Mejora de la fiabilidad y de la seguridad.
Maximizar la potencia eléctrica generada por las Plantas.
Minimizar el calor rechazado al medio ambiente.
Mantener informada a la organización de forma adecuada.
La sistemática para la realización e implantación del sistema de monitorización del rendimiento
térmico del secundario, se basa en los siguientes puntos:
o Establecimiento de un programa de seguimiento (Monitorización). Selección de equipos y
parámetros a monitorizar.
o Análisis continuo del comportamiento de los equipos.
o Realimentación a los programas de mantenimiento preventivo.
o Realización de informes.
Para el caso del sistema Secundario, pueden establecerse dos niveles de seguimiento. El primero
comportará la verificación de las prestaciones de la planta de forma global, mientras que el
segundo nivel se centrará en el funcionamiento de los diversos componentes.
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Actualmente, Ingeniería en Planta de C. N. Ascó recopila y analiza todas las variables de proceso
para el seguimiento del rendimiento térmico del secundario y genera informes con distinta
periodicidad, para que la organización conozca de manera puntual cualquier anomalía que pueda
afectara a l rendimiento de la planta.
5.
REFERENCIAS

EPRI TR107422-V1 y V2. Thermal Performance Engineers handbook.

EPRI TR-106345s: Moisture Separator Reheater Source Book.

EPRI TR-101867. Megawatt Improvement Casebook and Guidelines.