Aplicación de la conductividad en el análisis de vapor
Las mediciones de conductividad en el ciclo agua / vapor de las centrales eléctricas se utilizan comúnmente como indicadores de la calidad del agua utilizada en el proceso. Los valores de conductividad excesivos a menudo indican un alto potencial de corrosión , especialmente en el caso de ciertos iones como los iones cloruro y acetato . Estos pueden ser particularmente dañinos para las palas de la turbina de vapor .
Normalmente, se utilizan tres tipos principales de medidas de conductividad:
- Conductividad específica, una medida que indica el total de sólidos disueltos en una solución acuosa.
- Conductividad catiónica, una medida que se toma después de que la muestra de agua ha pasado a través de un lecho de resina (conocido como intercambiador catiónico)
- Conductividad de desgasificación, una medida que se toma después de que la muestra de agua haya pasado a través de una resina y se haya eliminado el dióxido de carbono mediante un proceso de desgasificación.
Generalmente, la conductividad de desgasificación se mide a partir de muestras condensadas y enfriadas de vapor primario. También puede ser relevante para analizar el retorno de condensado, especialmente en los casos en que el condensado se devuelve desde una planta separada que utilizó el vapor en otro proceso.
La medición de conductividad por encima de tres proporciona una de las mediciones más sólidas. También con tres medidas es posible calcular:
(1) pH del condensado / vapor y agua de alimentación de la caldera. (Consulte VGB-S-010-T-00; 2011-12.EN-ebook )
(2) Valores de CO2 calculados (consulte la norma ASTM D4519 )
Metodología
Una vez que los iones se han eliminado del acondicionamiento del agua circulante (por ejemplo, amonio NH 4 + ) en el intercambiador de cationes , los iones resultantes de los componentes gaseosos deben eliminarse para determinar la conductividad de desgasificación. Por lo general, se trata de gases de la atmósfera que han penetrado en el sistema a través de fugas en el circuito de agua-vapor. De todos los gases que se encuentran en la atmósfera, típicamente solo el dióxido de carbono (CO 2 ) se disuelve químicamente en iones en el agua en circulación. Los gases restantes ( oxígeno , nitrógeno , etc.) se disuelven físicamente y no forman iones, por lo que no contribuyen a la conductividad. Las reacciones químicas del dióxido de carbono en agua proceden de acuerdo con la siguiente ecuación de reacción (ley de acción de masas):
A) CO 2 + 2 H 2 O <--> HCO 3 + H 3 O + pK = 6.3
B) HCO 3 - + 2 H 2 O <--> CO 3 2− pK = 10,3
Vea el gráfico que muestra la concentración relativa de CO 2 . Después del intercambiador de cationes, el valor de pH de la muestra está generalmente entre 5,5 y 6, lo que significa que casi solo CO 2 está presente como gas, y solo alrededor del 6% es ion carbonato de carbono CO 3 2 - . El ion bicarbonato (HCO 3 - ) está prácticamente ausente.
Sin embargo, los componentes iónicos del dióxido de carbono son mucho menos peligrosos para la corrosión que los iones de los componentes salinos, por ejemplo, Cl - . Para obtener un valor de conductividad selectiva para estos iones que contienen solución salina (con el máximo potencial de corrosión), todo el dióxido de carbono restante debe eliminarse de la muestra para determinar con precisión la presencia de iones corrosivos.
En general, existen dos métodos para eliminar el dióxido de carbono de la muestra de agua: el uso de un hervidor para calentar la muestra y expulsar el CO 2 y el uso de gases inertes. En el último método, un gas inerte que no contiene CO 2 se pasa a través de la muestra de agua, lo que los componentes de gas en el agua de la muestra son desplazados por los componentes del gas del gas inerte. El uso de gases inertes embotellados puede resultar problemático en algunas aplicaciones industriales. Los hervidores son una desgasificación muy eficiente con resultados superiores al 92%, pero por lo general requieren entre 20 y 45 minutos para lograr resultados útiles. [1] Los fabricantes de sistemas de recalentamiento incluyen Swan Analytical, Forbes Marshall, Mettler Toledo y Sentry Systems.
También se desarrollan algunos otros métodos como el método del gas inerte (conocido como "método dinámico de Gronowski" [2] ), mediante el cual el gas inerte se genera en la columna de descarbonatación haciendo pasar aire a través de una columna llena de cal sodada . La eliminación del dióxido de carbono se realiza en una columna intercambiadora según el principio de contraflujo. El gas inerte impulsa el dióxido de carbono de la muestra de agua para que no se pueda formar ningún ion carbonato. Lo que queda en la muestra de agua son iones de tipo sal (ácido) y componentes orgánicos, así como oxígeno y nitrógeno que no forman iones en medios acuosos. El método de desgasificación patentado [3] de Gronowski es extremadamente rápido, logrando aproximadamente un 94% de desgasificación en 45 segundos, aumentando hasta una eficiencia final aún mayor. [4] Vea el gráfico (derecha), tomado de los datos de prueba reales.
Razones para medir una muestra desgasificada de vapor condensado
El crecimiento de las fuentes de energía renovables (pero inestables) ha impuesto una mayor carga para que las plantas eléctricas modernas de gas se enciendan y apaguen para mantener una producción eléctrica constante y confiable entre las energías renovables y la carga base . Estas plantas utilizan una combinación de turbinas de gas (70%) y vapor (30%) para producir electricidad. Para lograr la máxima eficiencia, es fundamental garantizar que el vapor puro llegue rápidamente a la segunda etapa.
Durante la puesta en marcha de una central eléctrica , la pureza del vapor generado determina si se puede enviar a la turbina de vapor o si se debe desviar al condensador. Tradicionalmente, los instrumentos de “conductividad catiónica” se utilizan para analizar la calidad del vapor, pero además de medir compuestos iónicos nocivos (p. Ej., Iones de cloruro), también incluyen CO 2 , que como se indicó anteriormente no es significativamente perjudicial para la turbina de vapor. Además, los analizadores de conductividad catiónica típicos tardan de 3 a 4 horas en proporcionar indicaciones útiles de la pureza del vapor. En muchos casos, esto significa que la planta nunca alcanza el 100% de eficiencia antes de desconectarse. Eso significa que una planta de ciclo combinado de turbinas de gas estaría quemando combustible al 100%, pero solo lograría una salida del 70% y ventilaría el exceso de calor y escape.
En el caso de una central eléctrica de carga base tradicional, los ciclos son mucho menos frecuentes; en algunos casos, solo dos veces al año para el mantenimiento. En comparación con la medición únicamente de la conductividad catiónica, el ahorro de costes de una puesta en marcha acelerada utilizando conductividad de desgasificación es potencialmente muy grande. A $ 0.50 / MW-minuto ($ 30 / MWH), una planta de carbón de 750MW que comience tres horas más rápido en cada ciclo teóricamente podría generar $ 133,875 adicionales de ingresos anuales a partir del mismo combustible.
Con base en supuestos similares, el ahorro de costos entre diferentes metodologías de desgasificación es significativo. Si se utiliza un sistema dinámico similar al de Gronowski, en los casi 30 minutos de tiempo de arranque que se ahorran con un método de recalentamiento, la planta de ciclo combinado típica generará aún más ingresos del mismo combustible consumido con cada arranque del sistema, especialmente si se usa precio típico de la electricidad “pico”. Los beneficios adicionales son una mejor eficiencia energética y una reducción de las emisiones de calor y gases de escape.
Los instrumentos de conductividad de desgasificación catiónica están diseñados para medir los tres valores de conductividad (conductividad específica, catiónica y catiónica desgasificada) y también proporcionan salida para el pH calculado y el CO2 calculado en el agua de alimentación o el condensado.
Referencias
- ^ Turner, Randy. "MONITOREO DE LA CONDUCTIVIDAD DE LOS CATIONES PARA UN INICIO MÁS RÁPIDO - UN NUEVO ENFOQUE" (PDF) . Swan Analytical . Consultado el 11 de noviembre de 2016 .
- ^ "Analysentechnik" . gronowski.com . Consultado el 16 de noviembre de 2016 .
- ^ Patente de Estados Unidos No. 10,384,957; Gronowski, et al., 20 de agosto de 2019
- ^ "9096 conductividad ácida desgasificada" (PDF) . waltron.net . Waltron Bull y Roberts, LLC . Consultado el 16 de noviembre de 2016 .