Torres de enfriamiento: Eficiencia esperando a suceder

Las torres de enfriamiento cumplen la función vital de enfriar el agua para los equipos de intercambio de calor de las centrales eléctricas. Es importante mantener un rendimiento excelente del sistema porque un aumento de un grado en la temperatura del agua puede causar un aumento del 2% en el uso de energía. El mantenimiento adecuado y algunas actualizaciones podrían mejorar la eficiencia de una torre de enfriamiento y, al mismo tiempo, ahorrar agua en el proceso.

La ineficacia más pequeña en una planta de energía puede costarle mucho a un generador, y muchos generadores de energía no necesitan mirar más allá de sus torres de enfriamiento envejecidas para encontrar un semillero de posibles ineficacias, lo que reduce lentamente sus ganancias. A medida que la eficiencia de una torre de enfriamiento se tambalea, la temperatura en la torre aumenta, lo que aumenta el consumo de energía en la unidad hasta en un 2% por aumento de un grado. La buena noticia es que, desde los ventiladores hasta las boquillas, los medios de llenado e incluso el agua misma, abundan las oportunidades para aumentar la eficiencia de una torre de enfriamiento.

Por supuesto, nadie tiene la intención de construir un sistema ineficiente, pero muchas de las torres de enfriamiento actuales son reliquias del pasado y, si bien alguna vez fueron lo último en tecnología, están muy por debajo de los estándares actuales. Una de las áreas principales en las que las plantas más viejas se quedan atrás es el material de relleno. Algunas torres de enfriamiento de décadas de antigüedad que todavía están en uso continúan usando relleno de salpicaduras de plástico, fibra de vidrio o madera. Este sistema posiciona las barras contra salpicaduras para romper el agua que cae en gotas. El relleno por salpicadura es más adecuado para torres de flujo cruzado, según SPX Cooling Technologies Inc., porque el aire puede fluir fácilmente horizontalmente a través del relleno vertical de altura completa. Las torres de contraflujo más nuevas pueden integrar sistemas de llenado por salpicadura o de película más nuevos.

Alrededor de la década de 1980, los esfuerzos de eficiencia de las torres de enfriamiento recibieron un impulso con el desarrollo de medios de relleno de mejor rendimiento. "Un gran avance para los rellenos de contraflujo de la década de 1980 fue la introducción de los paquetes de relleno de película de PVC", dijo Terry Dwyer, director de productos montados en campo de SPX. Estos nuevos tipos de relleno "aumentan el área de superficie del relleno en un pie cúbico dado de la torre de enfriamiento, por lo que el PVC (los paquetes de relleno de plástico) aumentan el área de superficie, lo que aumenta la transferencia de calor".

De hecho, según Dwyer, la forma más fácil de aumentar rápidamente la eficiencia de una torre de enfriamiento es cambiar el medio de relleno. "Tenemos otros rellenos de mayor rendimiento hoy que los que teníamos hace muchos años", dijo Dwyer. "Es como con un automóvil, la economía de combustible de un automóvil hoy es mejor que hace 20 años. Mucho de eso es el diseño y la tecnología del motor".

Los rellenos de película de alto rendimiento de hoy cuentan con casi el doble de rendimiento térmico que el relleno por salpicadura. El relleno de película consiste en pilas de material similar a un laberinto a través del cual el agua y el aire fluyen en direcciones opuestas. El relleno de película aumentó en gran medida la exposición de la superficie del agua al aire, lo que resultó en una transferencia de calor mucho más eficiente.

Sin embargo, el relleno de película no deja de tener sus desventajas. Como se señaló, mientras que el relleno por salpicadura funciona para romper el agua en gotas, como sugiere el nombre, haciendo que salpique barras relativamente anchas dentro de la torre, el relleno con película dirige el agua a través de pequeños embudos. Desafortunadamente, y como era de esperar, la mayoría de las torres de enfriamiento no funcionan con agua filtrada. El agua que se usa en estas torres generalmente está bastante sucia, llena de sedimentos minerales y biológicos que pueden obstruir fácilmente el relleno con crecimiento microbiológico, incrustaciones o incrustaciones.

Si bien el relleno por salpicadura está en desventaja con respecto a los estilos de relleno más modernos en cuanto a eficiencia de enfriamiento, tiene sus ventajas. El relleno de salpicaduras es menos denso y, por lo tanto, más indulgente con el agua difícil. El agua con muchos sedimentos puede obstruir el relleno de película mucho más fácilmente que el relleno por salpicadura, pero en general, la compensación no vale la pena ya que los tratamientos químicos para ayudar a lidiar con aguas difíciles avanzan rápidamente.

Los cuatro principales problemas de calidad del agua que enfrentan los generadores de energía para mantener sus torres funcionando en óptimas condiciones son la corrosión, las incrustaciones, el ensuciamiento y la actividad microbiológica.

La corrosión ocurre cuando los químicos en el agua desgastan los componentes de la torre de enfriamiento. Esto puede dar como resultado una pérdida de transferencia de calor y, a su vez, una disminución de la eficiencia. La corrosión también puede provocar fallas en los equipos, lo que a su vez puede ocasionar tiempo de inactividad de la planta y costos de reemplazo de equipos.

La incrustación es la acumulación de minerales disueltos en el equipo. Esto también puede dar lugar a la reducción de la capacidad de intercambio de calor del sistema, ya que la báscula puede actuar como aislante, lo que dificulta mucho más que el sistema se enfríe de forma eficaz.

Similar a la incrustación, el ensuciamiento es la acumulación de partículas suspendidas. Si bien la incrustación se limita a los minerales, sin embargo, el ensuciamiento se aplica a cualquier cosa, desde materia orgánica hasta aceites. En el mejor de los casos, el ensuciamiento inhibe la transferencia de calor de la misma manera que lo hace la incrustación, al actuar como aislante. En el peor de los casos, el ensuciamiento puede obstruir completamente el llenado, reduciendo las áreas de evaporación del sistema y afectando negativamente la eficiencia del sistema.

Finalmente, la actividad microbiológica se refiere al impacto que tiene sobre la planta cualquier microorganismo que viva en el sistema. El microorganismo puede estar suspendido en el agua o puede crecer en las superficies de los equipos de la torre de enfriamiento, lo que nuevamente reduce la transferencia de calor debido al aislamiento y bloqueo del material de relleno.

Las torres de enfriamiento usan cantidades masivas de agua, por lo que no sorprende que los municipios y estados hayan delegado en muchos casos la calidad más baja de los recursos para uso de los generadores de energía. En 2010, las extracciones de agua para energía termoeléctrica representaron el 45% de las extracciones totales en los Estados Unidos, según el informe nacional de uso de agua más reciente del Servicio Geológico de EE. UU. Sin embargo, el uso de agua para la generación de energía termoeléctrica ha disminuido (Figura 1), señala el informe. Entre 2005 y 2010 las extracciones de agua en esa categoría disminuyeron un 20%.

Para preservar las aguas dulces, algunas áreas del país requieren que las torres de enfriamiento usen aguas grises municipales o que ciclen más sus torres (consulte "El agua recuperada reduce el estrés en los suministros de agua dulce" en esta edición de POWER). Este fue el caso de un cliente de GE Water & Process Technologies.

"Se les pidió a nuestros clientes que usaran aguas grises municipales. Estas son las aguas residuales de una planta municipal. Cuando se dividieron en zonas y se pusieron en marcha, no podían usar agua dulce del río o del lago, y estas aguas son muy difíciles de tratar". Peter Macios, gerente ejecutivo de productos de la compañía, dijo.

GE Water & Process Technologies ofrece una amplia gama de opciones de tratamiento de equipos y químicos personalizables para generadores que se ocupan de aguas difíciles. "Pudimos desarrollar y diseñar programas que permitieron a nuestros clientes, número uno, operar de la manera más eficiente posible con el uso de esa agua y anular todos los efectos sobre... los controles microbiológicos, la eliminación y la corrosión", dijo Macios.

El tratamiento químico del agua de la torre de enfriamiento es un acto de equilibrio complejo. Desafortunadamente, muchos tratamientos químicos para abordar un problema tienen un impacto negativo en los tratamientos químicos para abordar otro. Afortunadamente, GE cree que ha encontrado el equilibrio correcto, desarrollando tratamientos químicos que no interactúan de manera adversa.

"Con los programas tradicionales, cuando se establece un control biocida o microbiológico, siempre se degrada la inhibición de la corrosión y el control de depósitos", dijo Macios. "En otras palabras, los programas siempre están en desacuerdo entre sí. En GE, podemos mantener bajo control tanto el control de depósitos microbiológicos como la corrosión sin afectar ninguno de los programas".

La tecnología de tratamiento de agua GenGard de GE funciona en todo el espectro de pH para inhibir la corrosión, mientras que el agente de control microbiológico Spectrus de GE mantiene bajo control las especies microbianas, incluidas bacterias, algas, levaduras y hongos. A diferencia de otras opciones de tratamiento químico, las dos tecnologías se pueden usar juntas. "La belleza del programa es que son sinérgicos. El oxidante [Spectrus] no degrada el programa GenGard. Spectrus no tiene ningún efecto sobre GenGard", dijo Macios.

Incluso cuando el relleno de una torre de enfriamiento está limpio y funciona de manera eficiente, las ineficiencias aún pueden estar al acecho. Un problema de eficiencia que a menudo recibe poca atención es el rendimiento de las boquillas de aspersión en la parte superior de la torre.

En general, se ha aceptado que un rocío de agua tomará la forma de un paraguas, lo que dará como resultado un patrón de rocío circular. El problema con eso es que es difícil alinear círculos para distribuir uniformemente el agua sobre una superficie. Si los círculos se alinean para que apenas se toquen, áreas enteras del medio de relleno se dejan secas.

Para solucionar ese problema, los diseñadores de torres acercan las boquillas, superponiéndolas al rociado. Sin embargo, ese plan de acción todavía da como resultado una distribución desigual del agua, inundando el medio de relleno en las áreas de superposición. Cuando una parte del relleno se inunda, el aire no puede pasar, lo que reduce la eficiencia de la planta.

"La calidad de la mezcla de aire sobre agua determina la eficiencia de esa transferencia de calor. Por supuesto, creo que la industria lo ha sabido desde siempre", dijo Howard Curtis, inventor de la boquilla de flujo variable de Curtis Technologies (VFN, Figura 2).

El VFN de Curtis permite una distribución uniforme del agua y, a su vez, una mejor eficiencia de enfriamiento. "Desarrollamos una boquilla que produce un patrón de agua cuadrado y está equilibrada hidráulicamente, por lo que obtenemos un mejor equilibrio de agua sobre el medio de llenado, lo que significa que obtendrá un mejor contacto aire-agua", dijo Curtis. "Lo más económico que puede hacer es cambiar sus boquillas para obtener a veces un 10 por ciento o más de eficiencia térmica".

Otra pieza de equipo que a menudo se pasa por alto en la búsqueda de fruta madura es el ventilador de la torre de enfriamiento, dijo Dwyer. "La parte importante de la transferencia de calor es el movimiento del aire a través del medio de relleno", dijo. "Si puede aumentar el flujo de aire a través de los medios, realmente afecta muy directamente la transferencia de calor. Entonces, cuanto más aire, más enfriamiento, más enfriamiento, más eficiente. Si puede tomar un ventilador viejo que no es muy eficiente y coloque un diseño más moderno allí, debería poder aumentar su flujo de aire y con su mayor flujo de aire tener una mejor refrigeración y una mejor eficiencia".

Como con la mayoría de las cosas en la vida, el primer paso para abordar un problema de eficiencia de la torre de enfriamiento es identificar dónde está el problema. Cuando un generador de energía siente los efectos de una torre de enfriamiento ineficiente, identificar la fuente del problema de manera rápida y precisa es vital para desarrollar un plan de juego efectivo.

Ahí es donde entran en juego empresas como Quantum Technical Services. La empresa ofrece un estudio de eficiencia de la torre de enfriamiento realizado durante el funcionamiento máximo para determinar la condición de funcionamiento térmico de la torre de enfriamiento. Dicha auditoría estudia el flujo de aire y agua de la unidad, una evaluación del área de transferencia de calor y exploraciones térmicas infrarrojas de la torre para identificar cualquier problema potencial.

Cuando es posible, la empresa también trata de tener en cuenta el diseño original de la torre para determinar si está funcionando según lo previsto. "Creo que esto es lo mejor que se puede hacer", dijo Paul Chila, consultor de ingeniería de Quantum Technical Services. "Cuando [la torre] se construyó, se diseñó para funcionar con cierto porcentaje de eficiencia. Lo que hacemos es, siempre que podemos, tratar de desenterrar esas hojas de diseño antiguas y, una vez que tenemos nuestra imagen en su lugar, comparar la eficiencia medida con cuál fue el diseño para hacerles saber dónde están y comparamos todo en las hojas de especificaciones".

Tener en cuenta las especificaciones de diseño originales de una torre le permite a la empresa determinar primero si la planta está operando como debería, antes de determinar qué tan bien podría estar operando. "Tuvimos uno hace poco en el que... estaban tan lejos de las especificaciones sobre el caudal que se suministraba a la torre que les dijimos que primero debían solucionar este problema y luego podemos volver y reevaluar la torre", dijo Chila. . "Puede ser un proceso en el que necesitas decir, necesitas abordar esto, este es un factor importante".

Para las torres de contraflujo, la tecnología GamaScan de la compañía puede ofrecer una imagen útil de lo que sucede dentro del material de relleno. "GamaScan mira literalmente a través del relleno y nos da un perfil de densidad", dijo Chila. "A partir de eso, podemos saber si el relleno de la película se está ensuciando y si se está ensuciando de manera bastante uniforme en toda la celda. Solo eso, solo por la cantidad de suciedad que tenemos la capacidad de medir, obviamente afectará la eficiencia de cómo está funcionando esa torre".

La evaluación regular del rendimiento de la torre de enfriamiento, sin importar cuán antiguo o nuevo sea el equipo, permite al operador determinar si sus programas de tratamiento están funcionando. "Tengo bastantes que son del estilo más nuevo, con el relleno de la película, que se construyeron en los últimos dos o tres años, y simplemente nos sacaron y dijeron: 'Vengan y obtengan la línea de base'", dijo Chila. . Establecer una línea de base de este tipo hace que sea más fácil para un operador determinar si su torre está comenzando a arrastrarse.

GE también ofrece mantenimiento y seguimiento regulares de sus programas de tratamiento. Usando un sistema de monitoreo de agua llamado InSight, GE puede rastrear en tiempo real lo que sucede dentro de la torre de enfriamiento de un cliente. El producto permite a los clientes reaccionar rápidamente ante cualquier problema que pueda surgir. Antes de que esta tecnología de seguimiento en tiempo real estuviera disponible, los operadores se vieron obligados a ser reactivos en lugar de proactivos cuando los problemas amenazaban la eficiencia de su torre. “Si lo piensas, cuando lo haces manualmente, siempre es una mirada en el espejo retrovisor. Obtienes los datos, los evalúas y ya pasó”, dijo Macios. "La idea es: ¿puedo extraer los datos, ejecutar el análisis y saber qué está pasando en mi sistema ahora?"

Si bien hay muchas opciones para actualizar las torres de enfriamiento para mejorar la eficiencia, en algún momento podría ser el momento de cambiar su flujo cruzado de 1975 por un nuevo y brillante modelo de contraflujo. Reemplazar las torres de enfriamiento no es una decisión que se tome a la ligera, por supuesto, pero si una torre se degrada o se vuelve tan ineficiente que el generador corre el riesgo de desconectarse o, lo que es peor, sufrir un colapso, las ventajas pueden superar a las desventajas.

Si bien la tecnología y el diseño de las torres de enfriamiento han mejorado significativamente en los últimos años, muchos generadores han optado por actualizar sus torres más antiguas en lugar de comenzar desde cero. "Hay miles de celdas de torres de enfriamiento que se construyeron en los años 60 y 70 que eran una torre de enfriamiento de estilo más antiguo, principalmente torres de enfriamiento de flujo cruzado con relleno por salpicadura", dijo Dwyer.

Reemplazar una torre de enfriamiento no siempre significa reemplazar todo desde cero. Es posible destripar una torre de flujo cruzado y convertirla en una unidad de contraflujo. "Eso puede ser un desafío, porque a veces es difícil colocar la torre de enfriamiento de contraflujo en el mismo espacio y hay que hacer un montón de modificaciones en las tuberías, pero incluso si tenía una torre de enfriamiento de contraflujo antigua, puede reemplazarla". el relleno... con un medio de transferencia de calor más moderno", dijo Dwyer.

Sin embargo, si a un generador le resulta claro que su antigua e ineficiente torre de enfriamiento tiene que desaparecer, las opciones de reemplazo no son tan onerosas como antes. SPX ofrece una línea de torres de enfriamiento ensambladas en fábrica que se pueden enviar casi completas a un sitio. La línea más pequeña, la NC Everest (Figura 3), se puede enviar a cualquier parte del país en solo unas pocas piezas. Una vez que la torre llega al sitio, se atornilla y se requiere un montaje mínimo en campo. "Esas seis piezas grandes se unen en el campo en horas. Lo que hemos hecho básicamente es trasladar la larga duración del ensamblaje en el campo a un entorno de fábrica", explicó Dwyer.

SPX también ofrece una versión más grande de su torre de enfriamiento ensamblada en fábrica, la F400 (Figura 4). Sin embargo, debido al mayor tamaño de la torre, el envío de las piezas ensambladas en fábrica se encarece rápidamente.

La decisión de actualizar o reemplazar generalmente se reduce a dólares y centavos. "Si reparar su automóvil cuesta $ 10,000 y solo durará dos años más, probablemente decida seguir adelante y comprar un automóvil nuevo por $ 15,000", dijo Dwyer. A menudo se puede usar la misma metodología cuando se evalúan las opciones de torres de enfriamiento. ■

—Abby L. Harvey es una reportera de POWER.

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