Monitoramento de química de água/vapor do gerador de vapor

Atualizado: 3 abril 2025

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. As perturbações químicas podem causar danos significativos aos equipamentos em sistemas de geração de vapor, às vezes em um período muito curto.

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 refere-se apenas 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: 

• Sistema de tratamento de reposição
• Descarga da bomba de condensado
• Entrada de água de alimentação ou economizador
• Água de caldeira
• Vapor saturado
• Vapor principal e de reaquecimento

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.

Sistema de tratamento de reposição

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.

• Condutividade específica (S.C.): ≤0,1 μS/cm
• Sílica: ≤10 partes por bilhão (ppb)
• Sódio: ≤2 ppb

Essas medições garantem que a 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.

Parte 2: Diretrizes de monitoramento recomendadas para sistemas de condensado em geradores de vapor de alta pressão

Em unidades de energia geradoras de vapor, o local principal para entrada potencial de contaminantes 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. A entrada de água de resfriamento introduzirá muitas impurezas no gerador de vapor, o que, quando submetido ao ambiente severo nosferventes (o termo comum para HRSGs são evaporadores), pode causar problemas sérios.

As análises contínuas da descarga da bomba de condensado (condensate pump discharge, CPD) são:

• Condutividade catIônica (CACE): ≤0,2 μS/cm
• Condutividade específica (SC): consistente com o pH
• Sódio: ≤2 ppb
• Oxigênio dissolvido: ≤20 ppb
• pH: de 9,6 a 10,0 (essa é a faixa de pH para o projeto de HRSG mais comum, o tipo de baixa pressão, com alimentação para a frente de pressão tripla. A faixa pode ser um pouco diferente para outros projetos de HRSG.)

O monitoramento de sódio é muito eficaz para detectar vazamentos no tubo do condensador. Com um condensador compacto, os níveis de sódio no condensado são normalmente muito baixos (<2 ppb) e, em muitos casos, abaixo 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. O que tem se tornado cada vez mais popular é a CACE degaseificada, que utiliza um refervedor ou um compartimento de aspersão de nitrogênio para remover aproximadamente 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.

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 utilitários, 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.

Parte 3: Entendendo a amostragem de água de alimentação no monitoramento químico do gerador de vapor

Esta discussão sobre amostragem de água de alimentação no gerador de vapormonitoramento de água e química de vapor está intimamente relacionada à seção anterior, especialmente em relação à instrumentação recomendada. O circuito em geradores de vapor de alta pressão, e, particularmente,unidades produtoras de energia, está quase fechado (ou deveria estar), com adição de maquiagem apenas moderada. Se a química do condensado descrita na parte dois 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:

• Condutividade catIônica (CACE): ≤0,2 μS/cm
• Condutividade específica (SC): Consistente com pH
• Sódio: ≤2 ppb
• Oxigênio dissolvido (dissolved oxygen, DO): 5–10 ppb
• pH: 9,6 a 10,0 (Essa é a faixa de pH para o modelo de HRSG mais comum, o tipo de baixa pressão, com alimentação para a frente de pressão tripla). A faixa pode ser um pouco diferente para outros projetos de HRSG.)
• Ferro total: ≤2 ppb

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. Hidróxido de sódio, cloreto e sulfato, em particular, podem ser muito prejudiciais a esses componentes.

Como mencionado naParte 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 de oxigênio/agentes de redução não são recomendados para essas unidades, mas uma pequena quantidade de DO (5 a 10 ppb) é necessária para estabelecer uma 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 maior parte do ferro em condensado e água de alimentação existe em forma particulada, portanto, os métodos analíticos para apenas ferro dissolvido subestimam grosseiramente a concentração total.A amostragem do produto de corrosão é um método que filtra uma amostra ao longo do tempo, após o qual a concentração é determinada pela digestão do filtro, com subsequente análise do ferro dissolvido.O Hachoferece um método de coleta de amostra barato, que inclui uma etapa de digestão, para monitoramento do ferro. As análises podem ser realizadas diariamente, semanalmente ou em qualquer frequência desejada pelo pessoal da fábrica e em qualquer um dos vários fluxos importantes, incluindo condensado, água de alimentação e água de caldeira.

Parte 4: Entendendo o retorno de condensado e seu impacto na química da caldeira de baixa pressão

As seções anteriores 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 a indústria de energia. No entanto, muitos milhares de caldeiras de baixa pressãoexistem em fábricas industriais em todo o mundo, e isso também requer monitoramento e controle químico precisos. 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. 

Ao chegar à caldeira, os contaminantes podem causar incrustação interna eincrustaçãode tubos da caldeira, ou podem influenciar a química da água da caldeira e induzir o transporte de impurezas para o vapor. Um exemplo dramático de vários anos atrás, em uma fábrica de produtos químicos orgânicos, veio do transporte de produtos orgânicos para quatro caldeiras de embalagem, o que causou espuma e transferência graves em cada tambor. A poluição dos tubos do superaquecedor e o subsequente superaquecimento do tubo exigiam a substituição do superaquecedor a cada 1,5 a 2anos.

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. Em geral, a faixa de pH ideal para esses sistemas é 9 a 10, com alguma variação, dependendo das diversas metalurgias. Se ligas de cobre estiverem presentes, o pH na extremidade inferior da faixa geralmente é mais adequado. A medição de pH em água de alta pureza pode ser problemática e sujeita a erros, mas na faixa ligeiramente básica de 9 a 10, valores precisos podem ser calculados a partir da condutividade específica e condutividade catiônica (também conhecida como medições de condutividade após troca catiônica [CACE]). Um resumo desta técnica é descrito em um artigo do janeiro 2021 naPower 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. O monitoramento da dureza do efluente amaciador de sódio pode alertar os operadores sobre problemas no sistema de reposição antes que surjam problemas graves.

Análises de ferro (e, se necessário, cobre) são úteis para avaliara proteção contra corrosão, ou 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.

Parte 5: Principais parâmetros para monitoramento eficaz da química do gerador de vapor

Esta parcela examina os parâmetros de monitoramento recomendados para as caldeiras em um sistema gerador 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.

A importância de medir o pH

Os geradores de vapor da usina de energia geralmente se aproximam da operação de circuito fechado porque o vapor aciona apenas uma turbina e é então devolvido em sua totalidade para a 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 de operação mas, em geral, a maioria das diretrizes recomenda uma faixa em torno de 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 da indústria recomendam tirar a unidade de operação 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 contaminação até que a unidade seja desligada. Em alguns casos, concentrações pequenas de soda cáustica (NaOH) podem ser preferíveis ao TSP.

Observação:No tipo mais comum de gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG), o projeto de baixa pressão de avanço (FFLP), os álcalis sólidos não podem ser utilizados para o tratamento do evaporador de baixa pressão. Em vez disso, o pH é controlado por meio do tratamento com amônia do condensado/água de alimentação.

Análise recomendada para aplicações de alta pressão

Para a maioria das aplicações com alta pressão, as seguintes análises são recomendadas.

• pH
• Fosfato (para as unidades tratadas com fosfato)
• Condutividade específica
• Condutividade depois da troca catiônica (CACE)

As medições de condutividade, especialmente CACE combinado com leituras de fosfato, podem ser valiosas para garantir que a química seja equilibrada e minimize o potencial de corrosão. Quando coletados e analisados por um programa de software como oCTVista^®+ da ChemTreat, esses dados podem fornecer análises e tendências precisas da química 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.

Programas de tratamento comuns para água de caldeira

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 na indústria de água de resfriamentohá alguns 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.

Parte 6: Técnicas essenciais de monitoramento para o desempenho do gerador de vapor

As seções 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 da química do vapor é igualmente importante, particularmente em usinas de energia e instalações de cogeração onde o vapor aciona turbinas.

Principais parâmetros do monitoramento

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:

• Sódio: ≤2 partes por bilhão (ppb)
• Condutividade após troca catiônica (CACE):≤0,2 μS/cm
• Sílica: ≤10 ppb

Sódiofornece uma indicação direta de transporte de sal ou 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 os fabricantes de turbinas. Entretanto, a precisão da CACE é suspeita, uma vez que o vapor poderia ter níveis de cloreto e sulfato maiores do que os limites típicos de 2 ppb, mesmo enquanto a 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 lâminas 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.

Pontos comuns de coleta de vapor

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 saturadofornece análises de impurezas provenientes diretamente do tambor da caldeira e pode servir como uma medição de solução 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.

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.

Análises de vapor principal e de reaquecimentofornecem dados diretos sobre 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.

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