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A geração e o uso de vapor na produção de energia e aquecimento de processo continua a ser uma operação vital em muitas usinas de energia e em milhares de plantas industriais em todo o mundo. Variações químicas podem causar danos significativos ao equipamento em sistemas de geração de vapor, às vezes, em um curto período de tempo.
O monitoramento contínuo e em tempo real da química da água/vapor em locais críticos da rede de geração de vapor é recomendado para detectar variações químicas e garantir que os programas de tratamento químico sejam mantidos dentro das faixas adequadas. Esta série de publicações examina os principais pontos de amostra e sua relação com a química de água/vapor. Esta publicação examina as unidades de alta pressão quanto à geração de energia, e falaremos de geradores de vapor industriais de alta pressão na parte seguinte da série.
Com o declínio da geração de energia produzida a carvão e a ascensão da energia renovável, uma grande ponte entre os dois foi, e continua a ser, a geração de energia em ciclo simples e, especialmente, ciclo combinado, tendo o gás natural como combustível principal. As próximas várias publicações examinarão os principais parâmetros de monitoramento para o tipo mais comum de gerador de vapor de recuperação de calor (heat recovery steam generator, HRSG) da indústria de ciclo combinado: o HRSG de pressão tripla, incluindo tanto o tipo de baixa pressão de alimentação para a frente (feed-forward low-pressure, FFLP) quanto o tipo de baixa pressão independente (stand-alone low-pressure, SALP).
Observação: “Baixa pressão” se refere ao primeiro circuito nessas unidades de multipressão. O vapor para alimentar as turbinas vem de circuitos de pressão intermediária e, principalmente, de alta pressão, comumente chamados de evaporadores e, portanto, a pureza da água de reposição e da água de alimentação deve ser projetada para altas pressões e temperaturas.
As amostras mais importantes nesses dois projetos são:
As discussões incluirão o limite, ou faixa, superior normal, para a maioria dos parâmetros de monitoramento. Os dados e muitos outros detalhes podem ser encontrados em documentos publicados pelo Electric Power Research Institute, (EPRI), embora eles estejam disponíveis apenas para membros do EPRI. A International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) oferece documentos técnicos com informações semelhantes, embora mais resumidas, que podem ser baixadas gratuitamente do site: www.iapws.org.
Mesmo nos geradores de vapor mais vedados, uma pequena quantidade de água/vapor de processo escapa continuamente. Essas perdas precisam ser compensadas com água de alta pureza. O processo básico do sistema de reposição mais comum é a osmose reversa (OR) seguida por troca iônica de leito misto (mixed-bed ion exchange, MBIX) ou eletrodeionização (EDI) para polir o efluente da OR. As unidades de OR normalmente incluem vários instrumentos para monitorar o desempenho do sistema, incluindo pressão, temperatura, fluxo, pH e condutividade específica, que são um assunto para uma discussão à parte. A lista abaixo descreve o limite superior recomendado para os três parâmetros de amostragem recomendados de efluentes do sistema de reposição.
Um analisador de sódio em linha. Foto por cortesia da Hach.
Essas medições garantem que água de alta pureza seja continuamente distribuída aos geradores de vapor. Um aumento em qualquer um dos valores indica que a resina MBIX atingiu a exaustão ou que ocorreu um problema na unidade de EDI. É necessária ação corretiva imediata.
Procure publicações subsequentes à medida que avançamos pela rede geradora de vapor e avaliamos pontos e parâmetros de amostragem críticos.
A Parte 2 continua a série sobre as diretrizes recomendadas de monitoramento de química de água/vapor para geradores de vapor de alta pressão. Dessa vez, o foco é o sistema de condensado. O monitoramento da água de alimentação está diretamente relacionado e será examinado no próximo artigo dessa série.
Em unidades de energia geradoras de vapor, o local principal para a entrada de contaminantes em potencial é o condensador, particularmente condensadores refrigerados a água, onde um vazamento(s) de tubo permite que a água de resfriamento se infiltre no condensado de alta pureza. O vazamento da água de resfriamento introduzirá muitas impurezas no gerador de vapor, que, ao ser submetido ao ambiente agressivo nas caldeiras (o termo comum para HRSGs é evaporadores), pode causar sérios problemas.
As análises contínuas da descarga da bomba de condensado (condensate pump discharge, CPD) são:
O monitoramento de sódio é muito eficaz para detectar vazamentos no tubo do condensador. Com um condensador apertado, os níveis de sódio no condensado são normalmente muito baixos (<2 ppb), em muitos casos, menos de 1 ppb. Um aumento no sódio fornece uma indicação precoce de vazamento no tubo do condensador.
A condutividade caiônica foi redesignada por algumas organizações de pesquisa como “condutividade após troca de cátions (conductivity after cation exhange, CACE)” para ilustrar o fato de que a amostra é direcionada através de uma coluna de troca catiônica para substituir os cátions, por exemplo, amônio, sódio, cálcio etc, por íons de hidrogênio. Isso cria uma solução de ácido muito diluída, basicamente com vestígios de íons de cloreto e de sulfato, cuja condutividade é, então, medida. Como ocorre com o monitoramento de sódio, um aumento na CACE indica vazamento de impurezas. A CACE pode ser influenciada pela entrada de dióxido de carbono, normalmente proveniente de vazamento de ar no condensador. Tornando-se cada vez mais popular está a CACE desgaseificada, que utiliza um recaldeira ou compartimento de pulverização de nitrogênio para remover até 90% do dióxido de carbono.
As análises de oxigênio dissolvido (OD) são importantes para monitorar o vazamento de ar para o condensador. Um aumento repentino no oxigênio dissolvido pode indicar uma falha mecânica no condensador ou próxima a ele, o que permite que ar em excesso entre no sistema. Como os programas de química da água de alimentação/condensado exigem controle rigoroso da concentração de OD, esse parâmetro de monitoramento é muito importante.
Um conjunto de analisador de oxigênio dissolvido. Foto por cortesia da Hach.
Em termos da relação entre a condutividade e o pH específicos, a amônia (ou, às vezes, uma amina ou uma mistura de amônia/amina) é o agente condicionador de pH normal para o condensado/a água de alimentação. No entanto, a medição direta de pH da água de alta pureza pode ser complicada e algoritmos foram desenvolvidos para calcular o pH com base nas medições de SC e de CACE para fornecer resultados mais precisos. A SC. em água de alta pureza está diretamente correlacionada à concentração de amônia, portanto, as medições de SC. oferecem melhor controle da alimentação de amônia do que o pH.
Um parâmetro que, em geral, não é monitorado continuamente, mas que pode ter alguma importância é o carbono orgânico total (total organic carbon, TOC). Para geradores de vapor de serviços públicos, o limite de TOC recomendado no CPD é de 100 ppb.
Por fim, um número cada vez maior de novas plantas estão sendo equipadas com condensador resfriado a ar (air-cooled condenser, ACC) como medida de conservação de água, reduzindo problemas com a entrada da água de resfriamento no condensado. No entanto, como o ar é muito mais denso do que a água, um ACC deve ser proporcionalmente muito maior, o que literalmente requer milhares de metros de tubulação de aço carbono. O principal contaminante de condensado em unidades equipadas dessa forma é a partícula de óxido de ferro. Algum tipo de filtro de partículas é recomendado para evitar que os óxidos de ferro cheguem ao gerador de vapor. Fique atento a uma publicação à parte com uma discussão sobre esse assunto.
A ChemTreat tem experiência com o monitoramento e o tratamento da química de água de geradores de vapor. Entre em contato conosco para obter assistência no desenvolvimento de um programa de tratamento sob medida para sua aplicação.
Como em todas as outras tecnologias, é necessária uma investigação prévia para determinar a viabilidade da utilização dos métodos. Sempre consulte os manuais e guias do seu equipamento.
Esta série do nosso blog se concentra em diferentes aspectos do monitoramento químico do gerador de vapor. A Parte 1 discutiu as recomendações de monitoramento do sistema de alta pressão e a Parte 2 examinou o sistema de condensado.
Esta discussão sobre amostragem de água de alimentação no monitoramento de água do gerador de vapor e química de vapor está intimamente relacionada à parcela anterior, especialmente em relação à instrumentação recomendada. O circuito em geradores de vapor de alta pressão, e, particularmente, unidades produtoras de energia, está quase fechada (ou deveria estar), com adição de diluente apenas moderada. Se a química do condensado descrita na Parte 2 estiver em ordem, a química da água de alimentação também deve ser satisfatória. No entanto, a amostra de água de alimentação (idealmente na entrada do economizador [EI] ou ainda melhor, a saída economizadora) é fundamental, pois normalmente representa o local principal para avaliar a corrosão acelerada por fluxo (FAC) no sistema de água de alimentação. Além disso, os produtos químicos de tratamento de condensado/água de alimentação são adicionados depois da descarga da bomba de condensado (condensate pump discharge, CPD), de modo que a amostra da água de alimentação é o local principal para monitorar as dosagens dos produtos químicos e seus efeitos.
Para os sistemas padrão, as análises contínuas da água de alimentação recomendadas são:
As amostras de sódio e CACE frequentemente servem como excelentes backups para os mesmos instrumentos no CPD. A detecção e a resposta à entrada de contaminantes geralmente é a principal prioridade nas unidades de alta pressão, e as leituras redundantes dos instrumentos da água de alimentação podem ser benéficas para confirmar se um transtorno é real ou resultado de falha do analisador. Embora sejam eventos raros, às vezes sabe-se que impurezas entram no gerador de vapor por meio de produtos químicos de tratamento da água de alimentação contaminados, que tais instrumentos normalmente iriam detectar. Finalmente, na maioria das unidades de alta pressão, um pequeno turbilhonamento é usado para a atemperação da água de alimentação. Esse arranjo pode introduzir impurezas diretamente no superaquecedor/reaquecedor e turbina. O hidróxido, cloreto e sulfato de sódio em especial podem ser muito prejudiciais a esses componentes.
Conforme mencionado na Parte 2, a amônia (ou, às vezes, uma mistura de amina ou amônia/amina) é o agente condicionador de pH normal para condensado/água de alimentação. No entanto, a medição direta de pH da água de alta pureza pode ser complicada e algoritmos foram desenvolvidos para calcular o pH com base nas medições de SC e de CACE para fornecer resultados mais precisos. A SC em água de alta pureza está diretamente correlacionada à concentração de amônia, portanto, as medições de SC oferecem melhor controle da alimentação de amônia/amina do que o pH.
Praticamente nenhum gerador de vapor moderno, especialmente os HRSGs, possuem ligas de cobre no sistema da água de alimentação. Assim, sequestrantes/agentes redutores de oxigênio não são recomendados para essas unidades, mas uma pequena quantidade de DO (5–10 ppb) é necessária para estabelecer a camada de óxido de ferro mais protetora na tubulação de aço carbono. Para tal, pode ser necessário fechar as ventilações do desaerador (para sistemas equipados), mas não sem antes fazer uma avaliação antecipada adequada.
Nos últimos anos, o monitoramento do ferro se tornou uma função muito importante em vários sistemas. Ele fornece indicação direta da FAC e da eficiência do programa de produtos químicos em mitigar esse mecanismo de corrosão. A maioria do ferro no condensado e na água de alimentação existe na forma de partículas, então os métodos de análise para somente ferro dissolvido grosseiramente subestimam a concentração total. A amostragem de produto de corrosão é um método que filtra uma amostra ao longo do tempo e determina sua concentração pela digestão do filtro, com análise subsequente do ferro dissolvido. A Hach oferece um método barato de análise de amostras que inclui uma etapa de digestão para monitoramento do ferro. A análise pode ser realizada diariamente, semanalmente ou em qualquer frequência desejada pelos funcionários da planta, e em qualquer um dos diversos fluxos importantes, incluindo condensado, água de alimentação e água de caldeira.
Figura 1. Reagente de combinação, frascos de digestão e aquecedor de bloco (esquerda), célula de amostra de 1 polegada (centro) e espectrofotômetro (direita). Fotos por cortesia da Hach.
A ChemTreat pode ajudá-lo a lidar com os desafios do monitoramento de produtos químicos do gerador de vapor. Entre em contato conosco para obter assistência no desenvolvimento de um programa de monitoramento sob medida para sua aplicação.
As partes 1, 2 e 3 desta série se concentraram no sistema de água de reposição e no monitoramento de condensado/água de alimentação para geradores de vapor de alta pressão e principalmente para o setor de energia. Entretanto, existem muitas milhares de caldeiras de baixa pressão em plantas industriais ao redor do globo e elas também exigem monitoramento e controle precisos dos produtos químicos. Nesta publicação, vamos nos concentrar no monitoramento de produtos químicos no vapor e água em caldeiras de baixa pressão, com foco específico no retorno de condensado.
Um fator complicador em muitas instalações industriais é a rede frequentemente grande e complexa de alimentação de vapor/retorno de condensado. Dependendo dos produtos fabricados em uma unidade, qualquer número de impurezas pode possivelmente entrar no retorno do condensado, sendo transportadas para as caldeiras.
Esquema geral de um fluxograma de geração de vapor industrial comum. Observe as múltiplas linhas de retorno de condensado para o sistema.
Ao alcançar a caldeira, os contaminantes podem provocar poluição interna e incrustação dos tubos da caldeira, ou podem influenciar os produtos químicos da água da caldeira e induzir o transporte de impurezas ao vapor. Um exemplo drásticos ocorrido há muitos anos em uma planta química veio do transporte de produtos orgânicos para quatro caldeiras modulares, que causou a formação de espuma severa e o transporte em cada tambor. A incrustação dos tubos do superaquecedor e o subsequente superaquecimento do tubo exigiram a substituição do superaquecedor a cada 1,5–2 anos.
Em relação ao monitoramento dos produtos químicos do retorno de condensado, um parâmetro padrão, similar a todos os demais fluxos de líquido, é o pH. Normalmente, a faixa de pH ideal para esses sistemas é de 9 a 10, com alguma variação dependendo das várias metalurgias. Se ligas de cobre estiverem presentes, o pH na extremidade inferior da faixa geralmente é mais adequado. A medição do pH em água de alta pureza pode ser problemática e sujeita a erro, mas na faixa levemente básica de 9 a 10, valores precisos podem ser calculados a partir de medições específicas de condutividade e condutividade de cátion (também conhecida como condutividade após troca catiônica [CACE]). Um resumo dessa técnica é descrito em um artigo de janeiro 2021 na Power Engineering.
Instrumentos adicionais de retorno de condensado podem ser selecionados com base nas impurezas primárias que podem surgir. Para a planta química mencionada acima, a análise de carbono orgânico total (total organic carbon, TOC) teria sido uma escolha lógica. O TOC também é uma forte consideração nas refinarias, plantas petroquímicas, de gás natural, de liquefação e assim por diante.
Em instalações que fabricam produtos químicos inorgânicos, diversas análises têm possível valor, incluindo sódio e supracitado CACE, que são, na realidade, uma medição substituta para cloro e sulfato na água e no vapor de alta pureza. O monitoramento da dureza na linha pode se adequar a algumas aplicações e minimizar o transporte de cálcio e magnésio até as caldeiras, que podem então se precipitar como depósitos duros. Consultando a Parte 1 desta série, o monitoramento da dureza do efluente de amaciador de sódio pode alertar operadores quanto a transtornos no sistema de reposição antes que problemas graves ocorram.
Análises de ferro (e, se necessário, do cobre) são úteis para avaliar a proteção contra corrosão ou a falta dela, em sistemas de retorno de condensado. Um problema que acomete muitos geradores de vapor é o transporte de produtos da corrosão do óxido de ferro até as caldeiras, onde os materiais se precipitam, geralmente no lado quente dos tubos da caldeira. Esses depósitos agem como locais para corrosão sob depósito (under-deposit corrosion, UDC), onde ácido ou soda cáustica se concentrarão na superfície do tubo e atacarão diretamente o metal do tubo. O UDC pode ser mais grave em caldeiras de alta pressão com fluxos de calor altos, mas caldeiras de baixa pressão são frequentemente operadas por anos a fio sem qualquer limpeza química, de modo que tais depósitos se tornam muito espessos e incluem UDC.
Entre em contato com a ChemTreat hoje mesmo para solicitar uma consulta dos seus sistemas de geração de vapor. Nossa equipe experiente pode ajudar você a projetar um programa de monitoramento e tratamento adequado às necessidades únicas da sua unidade.
A última publicação desta série de blogs focou no monitoramento da química da água e vapor em caldeiras de baixa pressão, com foco específico no retorno de condensado.
Esta parte examina os parâmetros de monitoramento recomendados para caldeiras em um sistema de geração de vapor. Fatores que influenciam o tratamento de água de caldeira incluem o design da caldeira, a pressão da caldeira/vapor, se o vapor é usado estritamente para o processo de aquecimento ou para acionar as turbinas e problemas relacionados ao retorno de condensado e à entrada de impurezas na água da caldeira.
Os geradores de vapor da usina de energia geralmente operam em circuito fechado, uma vez que o vapor somente aciona uma turbina e então retorna em sua totalidade à caldeira. Para quantidades normalmente pequenas de água/vapor que são perdidas, a reposição vem dos sistemas de tratamento com alta pureza, que normalmente garantem a água da caldeira limpa.
Então, o principal parâmetro de monitoramento para a água de caldeira de serviço é o pH. A faixa recomendada pode variar ligeiramente dependendo do tipo de caldeira e da pressão operacional, mas, em geral, a maioria das diretrizes exige uma faixa entre 9,2 e 9,8.
Para as diversas unidades com condensadores de vapor resfriados a água, a entrada de impurezas é sempre uma possibilidade que pode causar transtornos graves aos ambientes de caldeira de alta temperatura. Nesses casos, o pH se torna a medição mais crítica. Praticamente todas as diretrizes do setor recomendam que uma unidade fique off-line imediatamente se o pH cair para 8,0.
O fosfato trissódico (Na3PO4, TSP) em pequenas dosagens ainda é uma maneira comum de proteger (temporariamente) contra a entrada de contaminantes até que a unidade possa ser desligada. Em alguns casos, concentrações pequenas de soda cáustica (NaOH) podem ser preferíveis ao TSP.
Observação: No tipo mais comum de gerador de vapor com recuperação de calor (heat recovery steam generator, HRSG), o design de baixa pressão com alimentação direta (feed forward low-pressure, FFLP), os alcalinos sólidos não podem ser usados para o tratamento do evaporador com pressão baixa. Em vez disso, o pH é controlado por meio do tratamento com amônia do condensado/água de alimentação.
Para a maioria das aplicações com alta pressão, as seguintes análises são recomendadas.
As medições de condutividade, especialmente CACE, combinadas a leituras de fosfato, podem ser valiosas para garantir que os produtos químicos sejam equilibrados, minimizando o potencial de corrosão. Quando coletados e analisados por um programa de software como o CTVista®+ da ChemTreat, esses dados podem fornecer análise precisa e tendências dos produtos químicos da água da caldeira.
Para caldeiras industriais, o monitoramento adicional pode ser necessário. Em muitos casos, o tratamento de água de reposição pode consistir apenas no abrandamento do sódio ou do abrandamento e da remoção da alcalinidade. Além disso, diversas plantas industriais possuem sistemas de retorno de condensado e vapor complexos que podem permitir a entrada extra de impurezas nas caldeiras. Frequentemente, impurezas primárias são produtos da corrosão por óxido de ferro da tubulação do retorno de condensado.
Um programa de tratamento de água de caldeira comum para esses sistemas inclui fosfato e polímero, o último para manter as partículas em solução.
Se a entrada de dureza não for um problema, programas de somente polímero podem ser preferíveis. Em qualquer caso, a determinação das concentrações de polímero pode ser uma tarefa desafiadora. Um método é misturar uma quantidade rastreável de composto fluorescente com a fórmula do produto. A quantidade muito pequena de composto rastreador não interfere com as reações químicas, mas pode ser prontamente analisada para fornecer uma medição substituta da concentração química.
Outra possibilidade, que primeiro ganhou tração no setor de água de resfriamento há muitos anos, envolve polímeros marcados. Uma molécula não reativa é acrescentada aos polímeros primários para torná-los detectáveis por instrumentos. Nos casos em que os polímeros marcados são aplicáveis, o monitoramento é feito diretamente e não por métodos substitutos.
Detalhes adicionais sobre a amostragem de caldeiras elétricas podem ser obtidos no “Documento de orientação técnica – Revisão de 2015: Instrumentação para monitoramento e controle de química de ciclo para os circuitos de vapor-água de usinas elétricas de ciclo combinado e alimentadas por fósseis”; Associação Internacional para Propriedades de Água e Vapor (www.iapws.org).
As parcelas anteriores descreveram os critérios de monitoramento para proteger os sistemas de condensado/água de alimentação do gerador de vapor e as caldeiras contra corrosão e deposição. O monitoramento de produtos químicos do vapor também é importante, especialmente em usinas de energia e instalações de cogeração onde vapor aciona turbinas.
A deposição de contaminantes nas pás da turbina pode levar à corrosão e a possíveis falhas na lâmina, o que representa uma situação possivelmente catastrófica, pois a turbina gira a vários milhares de rpm.
Os principais parâmetros de monitoramento incluem os seguintes:
O sódio fornece uma indicação direta do transporte de sal ou de hidróxido de sódio para o vapor. O transporte de hidróxido de sódio (soda cáustica) é uma impureza especialmente prejudicial, uma vez que pode rapidamente causar rachaduras de corrosão por esforço (stress corrosion cracking, SCC) dos componentes da turbina. Outros sais, principalmente o cloreto de sódio, se concentrarão nas últimas linhas da turbina de baixa pressão (LP), onde podem causar corrosão e subsequente SCC e fadiga por corrosão (corrosion fatigue, CF) nas pás e nos rotores da turbina. A corrosão se inicia durante os desligamentos da unidade, especialmente se o ar ambiente úmido entrar no condensador e umedecer os depósitos.
O CACE fornece uma medição substituta das concentrações de cloreto e sulfato, e o limite ≤0,2 μS/cm tem sido uma diretriz de longo prazo para fabricantes de turbinas. No entanto, a precisão do CACE é suspeita, pois o vapor pode ter níveis de cloreto e sulfato maiores do que os limites típicos de 2 ppb, mesmo enquanto o CACE permanece abaixo do parâmetro de 0,2 μS/cm. Alguns instrumentos podem analisar as duas impurezas em um poço abaixo da concentração de 1 ppb
A sílica precipitará nas pás da turbina. Embora o composto não seja corrosivo, os depósitos podem influenciar na aerodinâmica da turbina e reduzir a eficiência, por isso o limite recomendado observado acima.
Vários pontos de coleta de vapor são comuns em unidades de geração de energia. Eles incluem amostras de vapor saturadas, principais e de reaquecimento.
A amostra de vapor saturado fornece análise das impurezas vindas diretamente do tambor da caldeira e pode servir como uma medição para resolução de problemas para detectar o transporte mecânico. O transporte mecânico pode ser causado por danos ou falhas de um dispositivo de separação de vapor no tambor.
Danos ou desgaste dos dispositivos de separação permitem que umidade excessiva contendo impurezas da água da caldeira entre no vapor.
Outros fatores que podem influenciar o transporte mecânico incluem taxas de acendimento rápidas ou trocas de carga frequentes, que podem causar surtos no nível de água do tambor; tamanho inadequado do tambor e contaminação da água da caldeira que pode gerar espuma.
São necessários procedimentos especiais para coletar vapor saturado e garantir a integridade da amostra. Isso inclui instalar um bocal de amostragem isocinética Os principais fabricantes de painel de amostras podem fornecer informações sobre os métodos adequados para garantir a integridade de todas as amostras do sistema de vapor.
A análise do vapor principal e de reaquecimento fornece dados diretos das impurezas que entram na turbina. É claro, a entrada de impurezas pode vir do transporte mecânico do tambor, mas as impurezas também podem vir da água de atemperação contaminada. Tal contaminação deve aparecer nas amostras da água de alimentação, e sendo assim, são detectáveis naquele ponto. A detecção e a correção de qualquer mecanismo que contamina a água de alimentação são de grande importância, tanto para proteger a água da caldeira como para eliminar a entrada direta de impurezas no vapor.
Para saber mais e solicitar uma consulta dos seus sistemas de geração de vapor, entre em contato com a ChemTreat. Nossa equipe experiente pode ajudá-lo a projetar programas de monitoramento e tratamento adequados às necessidades únicas da sua planta.
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