Escolhendo a Bomba Certa para Aplicações de Geração de Energia
Usinas de turbina a gás de ciclo combinado (CCGT) apresentam desafios difíceis para bombas e equipamentos associados, como válvulas e vedações.
Altas temperaturas e pressões operacionais são características de muitas aplicações operando em plantas CCGT. As plantas CCGT também devem lidar com variações rápidas de carga e são obrigadas a iniciar e parar com frequência. Como resultado, as bombas devem ser projetadas e selecionadas para lidar com severas condições transitórias de operação.
IMAGEM 1: Bomba difusora de seção anelar (Imagens cortesia da Flowserve)
Uma planta típica de ciclo combinado pode ter entre 50 e 100 bombas. Esses tipos de bomba normalmente incluem:
multiestágio, entre mancais, bombas de seção anelar (BB4)
bombas verticais, de poço úmido, de estágio único (VS1)
bombas verticais, enlatadas, multiestágios (VS6)
bombas horizontais, de estágio único, bipartidas axialmente (BB1, BB2)
bombas de sucção final de serviço geral (OH1)
bombas de sucção final de alta pressão e temperatura (OH2)
bombas de depósito (VS4, VS5)
bombas de vácuo de anel líquido
IMAGEM 2: Bomba barril de caixa dupla
Bombas principais de água de alimentação
O objetivo de uma bomba de alimentação principal é fornecer água de alimentação do tambor de baixa pressão (LP) para as entradas do economizador das seções de pressão intermediária (IP) e alta pressão (HP) do gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG).
As bombas multiestágio, difusoras em linha e de seção anelar são normalmente especificadas para este serviço em usinas de ciclo combinado.
Ocasionalmente, os clientes especificam um design de caixa dupla para essas aplicações.
A água de alimentação da caldeira é tratada quimicamente com um alto nível de pureza, tornando-a mais corrosiva do que a água não tratada. Como resultado, os componentes de manuseio de fluidos (por exemplo, carcaças de estágio, difusores e impulsores) que recebem altas velocidades de fluido devem ser fornecidos em 12% de cromo (CA6NMN) para evitar danos por erosão e corrosão.
IMAGEM 3 (esquerda): Bomba de condensado com impulsor de primeiro estágio de sucção única.
IMAGEM 4 (à direita): Bomba de condensado de primeiro estágio de sucção duplaO resultado é uma peça confiável e dúctil, com dureza superficial maximizada, que é a mistura ideal de características da peça. DLD é um processo de soldagem que une metalurgicamente um pó de metal ao material de base. Devido a uma entrada de calor controlada e localizada, este processo pode ser aplicado a vários metais básicos sem distorção ou necessidade de tratamento térmico pós-soldagem.
O desempenho de sucção, embora importante para todas as bombas, é uma preocupação para bombas de alta energia no serviço de alimentação de caldeiras.
A altura líquida de sucção positiva disponível (NPSHa) é limitada pela altura física do vaso de sucção, mas certas taxas de margem de NPSHa e NPSH exigidas (NPSHr) devem ser mantidas para alcançar o desempenho ideal e longa vida útil. O impulsor de primeiro estágio é selecionado com cuidado especial e geralmente apresenta um olho de sucção maior ou, em alguns casos, um projeto de sucção dupla.
As bombas oferecem uma conexão de decolagem intermediária para fornecer fluxo para a seção IP do HRSG. As bombas de alimentação de caldeiras estão sujeitas a oscilações repentinas de carga e operação em várias condições de operação. Como resultado, o arranjo de rolamento típico é rolamentos radiais de manga e rolamentos axiais do tipo almofada basculante em aplicações que excedem 4.000 cavalos de potência (hp).
As bombas de alimentação podem ser de acionamento direto ou acionamento de velocidade variável com o uso de acoplamentos de fluido ou acionamentos de frequência variável (VFDs).
A configuração mais comum é 2 x 100% por HRSG.
Bombas de extração de condensado
As bombas de extração de condensado são usadas para bombear o condensado do poço quente do condensador para a entrada do economizador de LP do HRSG. As configurações mais comuns são bombas de 2 x 100 por cento ou 3 x 50 por cento de capacidade por condensador (não por HRSG).
O projeto do impulsor de primeiro estágio é crítico, pois as bombas de condensado são necessárias para operar com baixo NPSHa. O condensador opera a um vácuo de aproximadamente 0,65 libras por polegada quadrada absoluta (psia) bar (0,045 bar absoluto). O condensado está próximo de seu ponto de vaporização com uma temperatura típica de 35 C a 40 C (95 F a 105 F). Isso significa que o NPSHa no nível do líquido no poço quente do condensador é zero. Como resultado, uma bomba multiestágio vertical enlatada é normalmente selecionada para
esta aplicação.
Para uma operação confiável, o projeto do impulsor de primeiro estágio deve incluir:
velocidade específica de sucção (NSS) inferior a 12.000 para garantir a estabilidade do fluxo em uma ampla faixa de operação
uma velocidade periférica de entrada do impulsor (velocidade da ponta de entrada) abaixo de 70 pés por segundo (pés/s)
material resistente à cavitação, como 12% de cromo
Devido à alta pressão nesta aplicação crítica, um selo mecânico tipo cartucho é recomendado para vedar as bombas de fluido. Os sistemas de vedação da bomba associados devem impedir que o ar entre na bomba quando em espera sob vácuo. Os planos 13 e 32 da API realizam isso.
Bombas de água de resfriamento do condensador (CCW)
Todas as centrais térmicas ejetam grandes quantidades de calor para o ambiente e uma central CCGT não é exceção. Uma usina típica de ciclo combinado com eficiência térmica de 57% ejetará 43% do calor fornecido pelo combustível. Cerca de 9 por cento sairá da pilha HRSG. O restante é removido pela água de resfriamento bombeada pelo condensador.
Os condensadores são tradicionalmente resfriados por água usando sistemas de passagem única ou fechados (torre de resfriamento). A necessidade de água de resfriamento de uma planta CCGT típica usando uma torre de resfriamento pode ser estimada em cerca de 250 gpm por megawatt (MW). Como resultado, uma usina de ciclo combinado de 750 MW exigirá um fluxo de água de resfriamento de cerca de 187.500 gpm, que normalmente seria compartilhado entre duas bombas.
Os requisitos ambientais em muitas regiões não permitem mais o resfriamento único de rios ou lagos. Mesmo as torres de resfriamento convencionais com refrigeração úmida podem ser um problema, pois ainda são necessárias retiradas de água para compensar a descarga, bem como a evaporação e o desvio da torre. Como resultado, os condensadores refrigerados a ar estão se tornando mais comuns. Seu custo de capital inicial é muito maior e a eficiência térmica da planta pode ser reduzida em até 3 ou 4 por cento em locais de alta temperatura ambiente.
A escolha mais frequente para esta aplicação é uma bomba vertical de estágio único com impulsor semi-aberto.
No entanto, dependendo da preferência específica do usuário final, podem ser usadas bombas de estágio único, sucção dupla dividida horizontalmente ou bombas de voluta de concreto.
IMAGEM 5-7: Tipos de bomba de água de resfriamento do condensador (CCW)
Tipos de Bomba CCW
Independentemente do tipo de construção, esses itens críticos devem ser revisados para garantir um desempenho ideal e confiável em todos os modos de operação:
Certifique-se de que haja ampla submersão do nível de água baixo para suprimir o vórtice e fornecer NPSHa suficiente para evitar a cavitação no fluxo máximo ou na condição de escoamento.
Avalie as opções de materiais para todos os componentes críticos, principalmente ao manusear água salobra ou salgada. As opções de materiais variam de aço carbono revestido a super duplex. Ao manusear água do mar ou outras soluções com alto teor de cloreto, deve-se considerar uma liga de aço inoxidável com um número equivalente de resistência à picada (PREN) superior a 40. (O PREN é uma medida da resistência relativa à corrosão por pite do aço inoxidável em um ambiente contendo cloreto.) Os elementos que têm um impacto significativo são cromo (Cr), molibdênio (Mo) e nitrogênio (N). A fórmula PREN, que quantifica sua respectiva contribuição, é apresentada na Equação 1: PREN = 1 × %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
Valores mais altos de PREN indicam maior resistência à corrosão.
Ao avaliar materiais, o primeiro custo, embora importante, não deve ser o único fator. O custo total do ciclo de vida do equipamento deve ser considerado.
O desempenho e a confiabilidade dessas bombas CCW de alto fluxo são muito afetados pelo projeto das estruturas de admissão nas quais são instaladas. As condições estáveis da bomba requerem uma distribuição uniforme do fluxo que se aproxima da entrada de sucção da bomba. A Norma do Instituto Hidráulico ANSI/HI 9.8-2019 “Bombas Rotodinâmicas para Projeto de Admissão de Bombas” fornece diretrizes para projetos de admissão de bombas. Um dos métodos mais comprovados para prever o desempenho de uma instalação é duplicá-la com um teste de modelo em escala física.
Bombas e sistemas (pumpsandsystems.com)