M E M O RI A D E E S T A D Í A S - UTeM
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE MANZANILLO TSU EN ENERGÍAS RENOVABLES ÁREA: ENERGÍA SOLAR “Efecto, análisis y control de la Sílice en el proceso de generación de energía eléctrica de la Central Termoeléctrica Manzanillo 2” M E M O RI A D E E S T A D Í A S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN ENERGIAS RENOVABLES P R E S E N T A ALCARAZ ÁLVAREZ CHRISTIAN RAFAEL ING. GERARDO CALDERILLO RUIZ DRA. SARAI E. FAVELA CAMACHO ASESOR EMPRESARIAL ASESOR ACADÉMICO MANZANILLO, COL. AGOSTO DEL 2019
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE MANZANILLO
TSU EN ENERGÍAS RENOVABLES
ÁREA: ENERGÍA SOLAR
“Efecto, análisis y control de la Sílice en el proceso de generación de energía eléctrica
de la Central Termoeléctrica Manzanillo 2”
M E M O RI A D E E S T A D Í A S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO
EN ENERGIAS RENOVABLES
P R E S E N T A
ALCARAZ ÁLVAREZ CHRISTIAN RAFAEL
ING. GERARDO CALDERILLO RUIZ DRA. SARAI E. FAVELA CAMACHO
ASESOR EMPRESARIAL ASESOR ACADÉMICO
MANZANILLO, COL. AGOSTO DEL 2019
i
AGRADECIMIENTOS
¡Gracias primeramente a Dios y a la vida! Por cada día darme una nueva oportunidad para ser
mejor, también agradezco profundamente a TODA mi familia, que siempre han creído en mi a
pesar de todo, a mi asesor empresarial el Ing. Gerardo Calderillo Ruiz por el apoyo
incondicional y toda su disposición en el lapso de mis estadías, a todos los compañeros del
laboratorio Químico-Ambiental por su hospitalidad y por siempre ayudarme con una sonrisa.
Agradezco también a mi asesora académica, Dra. Sarai Favela Camacho por toda la ayuda y
toda su disposición en este tiempo de estadías; a todos mis compañeros de clase que siempre
comparto buenos momentos con ellos y jamás nos faltan las risas. A Toñito y a Fernando
gracias bros. por ayudarme al final.
A todos mis maestros desde primer cuatrimestre hasta el día de hoy por todo lo que me han
enseñado y por ser de suma importancia para mi formación académica.
Sobre todo, quiero agradecer y dedicar el presente trabajo a mi padre J. Guadalupe Alcaraz
Núñez por siempre creer en mí y siempre estar presente en mi mente y mi corazón.
“Un año más sin ti físicamente, pero en mi mente siempre, tú sabes cuánto te quiero”
ii
INTRODUCCIÓN
Actualmente, el proceso de generación de energía eléctrica por medio de termoeléctricas
requiere medidas necesarias para el mantenimiento y control del sistema, esto debido a los
múltiples problemas que puedan generarse. Es por esto que se debe tener minucioso cuidado
para mantener en óptimas condiciones el sistema y así lograr una generación eficiente.
En el presente trabajo de investigación se analizarán los niveles de Sílice en el proceso de
generación de energía eléctrica, se muestran medidas de control necesarias en caso de que
los niveles excedan lo permisible en el ciclo agua-vapor de la central termoeléctrica Manzanillo
2. También se exhibe el método de análisis de niveles de Sílice (ppb) y gráficas acerca del
comportamiento de los niveles de Sílice en el proceso de dicha planta.
i
ÍNDICE AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................................................... i
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................ii
CAPÍTULO 1 ...................................................................................................................................................... 4
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ......................................................................................................... 4
1.1 Planteamiento del Problema ............................................................................................ 2
1.2 Objetivo General: ............................................................................................................. 2
1.3 Objetivos Específicos: ..................................................................................................... 2
1.4 Estrategias: ...................................................................................................................... 3
1.5 Metas ............................................................................................................................... 3
1.6 Justificación del Proyecto ................................................................................................ 3
1.7 Limitaciones y Alcances .................................................................................................. 4
CAPÍTULO 2 ...................................................................................................................................................... 2
DATOS GENERALES DE LA EMPRESA ........................................................................................................... 2
2.1 Nombre o razón social ................................................................................................. 6
2.2 Ubicación ..................................................................................................................... 6
2.3 Giro y tamaño .............................................................................................................. 6
2.4 Organigrama ................................................................................................................ 6
2.5 Misión de la Empresa .................................................................................................. 7
2.6 Visión de la Empresa ................................................................................................... 7
2.7 Política ......................................................................................................................... 7
2.8 Mapa de la Ubicación .................................................................................................. 8
2.9 Servicios y Productos .................................................................................................. 8
CAPÍTULO 3 ...................................................................................................................................................... 6
MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................................ 6
3.1 Diagrama de flujo del proceso de producción................................................................ 13
3.2 Sistemas de flujo de la central termoeléctrica ............................................................... 15
3.2.1 Sistema de condensado .......................................................................................... 16
3.2.2 Sistema agua de alimentación ................................................................................ 17
3.2.3 Sistema de vapor principal ...................................................................................... 18
ii
3.2.4 Sistema de enfriamiento principal ........................................................................... 18
3.2.5 Sistema de análisis y muestreo .............................................................................. 19
3.2.6 Sistema de dosificaión al ciclo Agua-Vapor............................................................. 19
3.2.7 Sistema de tratamiento de agua de repuesto al ciclo .............................................. 19
3.3 Impurezas del agua y daños que ocacionan ................................................................. 20
3.3.1 Daños causados por impurezas del agua ............................................................... 23
3.3.2 Operación de la purga en alta y baja concentración de Sílice ................................. 28
3.3.3 Parámetros químicos afectados en cualquier maniobra operativa .......................... 29
CAPÍTULO 4 .................................................................................................................................................... 30
DESARROLLO DEL PROYECTO DE ESTADÍA .............................................................................................. 31
4.1 Determinación de Sílice en Alta concentración ............................................................. 32
4.2 MÉTODO DE ANÁLISIS DE SÍLICE ............................................................................. 35
CAPITULO 5 .................................................................................................................................................... 40
5.1 Resultados ..................................................................................................................... 43
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................................ 50
iii
INDICE DE TABLAS Y FIGURAS
Fig. 1.- Organigrama depto. químico- ambiental ....................................................................... 6
Fig. 2.-Mapa de Ubicación de Central Termoeléctrica .............................................................. 8
Fig. 3.- condensador principal ................................................................................................. 12
Fig. 4.-Secuencia de transformación. ..................................................................................... 14
Fig. 5.- Diagrama de Flujo de la Central Termoeléctrica......................................................... 15
Fig. 6.- Tanque de almacenamiento de agua desmineralizada .............................................. 20
Fig. 7.- Gradientes de Temperatura en Tubos de Caldera .................................................... 25
Fig. 8.- Grafica Presión del Domo vs Día en el arranque de operación de una caldera ......... 27
Fig. 9 .- Determinación de Sílice ............................................................................................. 31
Fig. 10.- Fotocolorímetro
Fig. 11.- Matraces de125ml o 250ml....................................................................................... 32
Fig. 12.- Probeta 50ml
Fig. 13.- Filtro Rojo ................................................................................................................. 33
Fig. 14.-Cuatro buretas graduadas ......................................................................................... 33
Fig. 15.- Ácido Clorhídrico
Fig. 16.-Molibdato de Amonio al 10% ..................................................................................... 34
Fig. 17.-Ácido Oxálico al 10
Fig. 18.-Ácido Amino-Naftol-sulfónico ..................................................................................... 34
Fig. 19.- llenado de probeta (50ml) ......................................................................................... 36
Fig. 20.- vaciado a matraces ................................................................................................... 37
Fig. 21.- 2ml de ácido clorhídrico ........................................................................................... 37
Fig. 22.- 2ml molibdato de amonio .......................................................................................... 38
Fig. 23.- ácido oxálico ............................................................................................................. 38
Fig. 24.- ácido naftol sulfónico ................................................................................................ 39
Fig. 25.- lectura de niveles de Sílice ....................................................................................... 39
Fig. 26.- Resultados de análisis de Sílice ............................................................................... 45
Fig. 27.- Resultados de análisis de Sílice ............................................................................... 48
INDICE DE TABLAS
Tabla 1 .................................................................................................................................... 22
Tabla 2 ................................................................................................................................... 29
Tabla 3 ................................................................................................................................... 43
Tabla 4 ................................................................................................................................... 46
CAPÍTULO 1
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
2
1.1 Planteamiento del Problema
El Sílice provoca efectos dañinos cuando se encuentra en forma disuelta en el vapor
generado el cual es arrastrado a la turbina junto con otros sólidos, induciendo depósitos en los
álabes de la turbina y por lo tanto reduciendo la eficiencia de operación de la planta.
El arrastre selectivo este compuesto se ve incrementado con la presión del generador de vapor
y la concentración de la misma. La cantidad en el vapor generado no debe exceder de 0.02
ppm, por lo tanto, para mantener la concentración de sílice en el vapor dentro de límites
tolerables, el agua de alimentación debe ser adecuadamente manejada para controlar al
mínimo su concentración de sílice.
1.2 Objetivo General:
Analizar los niveles de Sílice considerando los posibles efectos en niveles altos, registrar los
resultados e interpretarlos a fin de proteger las tuberías del sistema, alabes de las turbinas y
al generador de vapor, contra la corrosión y depósitos, para una operación segura y confiable
de las unidades de generación termoeléctrica (11 y 12) Manzanillo 2
1.3 Objetivos Específicos:
Conocer los niveles de Sílice en el proceso de generación de energía eléctrica.
Conocer los problemas que causan los altos niveles de concentración de Sílice en el
ciclo agua-vapor
Conocer y aplicar los métodos de tratamiento en caso de ser necesario.
Muestrear y analizar los niveles de Sílice en vapor principal, condensado, agua de
alimentación y purga continua de las dos unidades (11 y 12) de la central Manzanillo 2.
3
1.4 Estrategias:
Para realizar el presente trabajo de investigación es importante reconocer los fundamentos de
una central termoeléctrica, así como considerar los efectos que provoca el alto nivel de Sílice
en el proceso agua-vapor para tomar medidas de corrección en caso de que sean necesarias.
Es ineludible también aplicar el método de análisis de muestras de agua para determinar los
valores de este compuesto.
1.5 Metas
Conocer los métodos de muestreo y análisis para percibir los niveles de Sílice en el ciclo de
generación de vapor y lograr una generación eficiente de energía durante el tiempo de estadías
profesionales.
Realizar una gráfica para visualizar el comportamiento de los niveles de Sílice en el proceso
de generación.
Con esto proteger el sistema de tuberías de generación de vapor.
1.6 Justificación del Proyecto
La Sílice es un mineral compuesto por Silicio y oxígeno, este mineral es de suma importancia
el control de los niveles presentes en el ciclo agua-vapor del proceso de generación de
electricidad, ya que este mineral puede causar daños críticos en las tuberías del sistema, así
como en los alabes de las turbinas que están a su vez alineadas con el generador eléctrico.
Por esta razón se eligió el estudiar el efecto de este mineral en el proceso, también para
considerar y poner en práctica si es necesario los métodos de corrección en el dado caso que
los niveles sobrepasasen el límite permitido o que se realice un paro de alguna unidad por
razones diferentes a altas concentraciones de compuestos químicos
4
1.7 Limitaciones y Alcances
El presente proyecto de investigación se enfocará en el comportamiento y efecto de los niveles
de Sílice en el proceso de generación de energía eléctrica, muestreo y análisis del compuesto
químico y medidas de corrección en caso de que los niveles excedan los permitidos para el
mantenimiento de las tuberías utilizadas en el sistema.
CAPÍTULO 2
DATOS GENERALES DE LA EMPRESA
6
2.1 Nombre o razón social
Central Termoeléctrica “Gral. Manuel Álvarez Moreno” de la Comisión Federal de Electricidad
(CFE)
2.2 Ubicación
Ejido de Campos, De Las Flores S/N, Complejo Manzanillo CFE, 28809 Manzanillo, Colima
2.3 Giro y tamaño
Central generadora de electricidad
2.4 Organigrama
Fig. 1.- Organigrama depto. químico- ambiental
7
2.5 Misión de la Empresa
Prestar el servicio público de energía eléctrica con criterios de suficiencia, competitividad y
sustentabilidad, comprometidos con la satisfacción de los clientes, con el desarrollo del país y
con la preservación del medio ambiente.
2.6 Visión de la Empresa
Ser una empresa de energía, de las mejores en el sector eléctrico a nivel mundial, con
presencia internacional, fortaleza financiera e ingresos adicionales por servicios relacionados
con su capital intelectual e infraestructura física y comercial.
Una empresa reconocida por su atención al cliente, competitividad, transparencia, calidad en
el servicio, capacidad de su personal, vanguardia tecnológica y aplicación de criterios de
desarrollo sustentable.
2.7 Política
Prestar el servicio público de transmisión y distribución de energía eléctrica, así como la
generación y comercialización de electricidad y otros servicios relacionados, que generen valor
económico y rentabilidad, procurando el mejoramiento de la productividad con sustentabilidad
para el desarrollo nacional. Considerando los aspectos ambientales y de seguridad, y la mejora
continua de la eficacia del Sistema Integral de Gestión, con el compromiso de:
Formar y desarrollar el capital humano.
Gestión eficiente de los riesgos
Prevenir la contaminación y aprovechar de manera responsable los recursos naturales.
Cumplir con la legislación, reglamentación y otros requisitos aplicables.
8
2.8 Mapa de la Ubicación
Fig. 2.-Mapa de Ubicación de Central Termoeléctrica
2.9 Servicios y Productos
Electrolineras
Evaluación de tecnologías ahorradoras
Programa de ahorro de energía del sector eléctrico
Constancias de ahorro de energía
Pago programado
CAPÍTULO 3
MARCO TEÓRICO
10
El objetivo primordial de una central termoeléctrica es producir energía eléctrica. La energía
eléctrica se produce como resultado de una serie de transformaciones de energía. Para el caso
de centrales termoeléctricas convencionales, la energía disponible se obtiene a través del
combustible (combustóleo, gas, carbón, etc.)
La Central Termoeléctrica Manzanillo II se localiza al Sur del Puerto de Manzanillo, Colima y
al Sur de la Central Termoeléctrica Manzanillo I. la energía eléctrica generada se entrega al
sistema eléctrico nacional mediante la interconexión con la Subestación Manzanillo I (CFE,
revision 2018) y a Línea de Transmisión de 400KV, a la Subestación Tapeixtles.
Para su operación esta central requiere de dos tipos de combustibles que son el Diésel para
arranques y combustóleo para la generación, este último combustible es suministrado a los
tanques de almacenamiento por PEMEX.
El sistema de enfriamiento principal es de tipo abierto con agua de mar, que es conducida
desde el océano Pacifico hasta la obra de toma a través del canal de ventanas, para
posteriormente ser regresada al océano pacifico por el canal de descarga. El agua de repuesto
al ciclo se obtiene por medio de dos plantas evaporadoras de agua de mar, con una capacidad
de 1200 metros cúbicos por día de agua destilada por evaporadora (CFE, 2018)
La central termoeléctrica cuenta con el siguiente equipo principal:
1.- Generador de vapor
2.- Turbina
3.- Condensador
4.- Generador eléctrico
Asi como el siguiente equipo auxiliar que completa el ciclo termodinamico Rankine
Regenerativo:
11
- Bombas
- Ventiladores
- Intercambiadores de calor
- Compresores
- Tanques de almacenamiento
El generador de vapor es de tipo intemperie de circulación forzada y hogar balanceado, con
una capacidad máxima de 1170 ton/hora de vapor sobrecalentado, a una presión de operación
de 166 Bar. , con una temperatura de 540°C. además, esta integrado por un conjunto de
elementos que estan dispuestos de tal forma que absorben el calor producto de la combustión
que permite que se genere vapor con ciertas características de presión y temperatura.
La combustión se lleva a cabo dentro del hogar del generador de vapor, donde se alimenta el
combustible que puede ser líquido a través de los quemadores que estan colocados de manera
tangencial. El aire necesario para la combustión es llevado al hogar a través de unos ductos
por medios de ventiladores. Los gases productos de la combustión se liberan a la atmósfera,
pero previamente ceden su calor al agua para producir el vapor.
El turbogenerador es de tipo “tandem Compound” de 18 pasos de acción con recalentamieto
y doble flujo en la sección de baja presión. La turbina de vapor convierte la energía de vapor
en trabajo mecánico que se emplea para mover un generador eléctrico que transforma el
trabajo en energía eléctrica. Las partes principales de una turbina de vapor son:
Rotor
Toberas fijas
Carcasa interna y externa
Alabes fijos y moviles
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El generador eléctrico trifásico sincrono con conexión en estrella, 2 polos totalmente cerrados
a prueba de explosión y son enfriados por hidrógeno y agua desionizada.
El condensador es un intercambiador de calor de superficie de un solo paso, enfriado por agua
de mar donde se condensa el vapor de salida de la turbina de baja presión para obtenerr agua
pura que se regresa nuevamente al generador de vapor y también recibe los drenajes de los
calentadores de baja presión y los miscelaneos.
La condensación del vapor produce una presión de vacio dentro del condensador y el aire y
los gases no condensables que entran mezclados con el vapor, se extraen por medio de un
eyector a travéz de su aspiración, situado encima del nivel de condensado. El condensador es
una gran cámara que se encuentra en la parte inferior del escape de la turbina de baja presión.
La camara está atravesada por 15,500 tubos aproximadamente y por el interior de los tubos
circula agua de mar para el enfriamiento del vapor (CFE, 2018)
Fig. 3.- condensador principal
13
3.1 Diagrama de flujo del proceso de producción
La energía eléctrica generada en la central es tan solo el resultado de una serie de
transformaciones de la energía dando inicio en el Hidrocarburo utilizado como materia
prima que es el combustóleo; y ya en el generador de vapor se tiene la conversión de
energía calorífica a térmica por medio de fluido de trabajo que es el agua, el vapor
producido con sus características adecuadas de presión, temperatura y flujo es utilizado
en la turbina donde es transformado en energía mecánica y posteriormente en eléctrica.
La cantidad de producción de energía eléctria depende de las necesidades del área de
control occidente, existencia de combustible, transmisión y disponibilidad de las unidades
generadoras, siendo la central encargada de este último mediante el control del proceso.
(CFE, 2018)
14
Fig. 4.-Secuencia de transformación.
A continuación se presenta el diagrama de flujo de la central.
15
Fig. 5.- Diagrama de Flujo de la Central Termoeléctrica
3.2 Sistemas de flujo de la central termoeléctrica
Se le llama sistema de flujo de una central o simplemente a un conjunto formado por equipos
y tuberias que manejan un flujo determinado, como el agua, vapor, combustible, etc. Estos
sistemas pueden ser cerrados o abiertos. Los equipos centrales y auxiliares estan integrados
dentro de estos sistemas. Entre los principales tenemos:
Condensado
Agua de alimentación
Agua-vapor
Vapor principal
Vapor auxiliar
Extracciones y drenajes
Combustible
Aire gases
16
Aceite de lubricacion de la turbina
Aceite de sellos
Sellos de vapor
Enfriamiento principal o agua de circulacion
Enfriamiento auxiliar o cerrado
Tratamiento de agua de repuesto
Dosificacion e inyeccion de quimicos
Analisis y muestreo
Agua contra incendios
Aire de servicions
Aire de instrumentos
Agua de mar
Enfriamiento al estator
El mismo equipo puede pertenecer a viarios sistemas, por ejemplo: el generador de vapor
pertenece al sistema aire-gases, vapor auxiliar , vapor prrincipal, etc.
3.2.1 Sistema de condensado
El sistema de condensado tiene la función principal de suministrar agua al Desgasificador
tomándola directamente del pozo caliente del condensador mediante la Bomba de
condensado, que la impulsa a través de los calentadores de baja presión donde incrementa
gradualmente su temperatura en cantidad suficiente para satisfacer la demanda del proceso.
(CFE, 2018)
17
El equipo principal que constituye éste sistema es el siguiente:
1. Tanque de repuesto de condensado.
2. Condensador Principal.
3. Bombas de extracción de condensado.
4. Condensador de vapor de sellos.
5. Condensadores de Eyectores de servicio.
6. Enfriador de drenes del calentador No. 1.
7. Calentadores de baja Presión.
3.2.2 Sistema agua de alimentación
El sistema de Agua de alimentación tiene como función principal suministrar el agua necesaria
al generador de vapor, la cual es succionada del tanque de almacenamiento del desgasificador
mediante unas bombas llamadas de agua de alimentación con el propósito de incrementar la
presión para vencer la presión existente en el domo, pasando previamente por los
calentadores de alta presión con la finalidad de aumentar gradualmente su temperatura.
Además, proporciona el agua necesaria a los atemperadores del Sobrecalentador y
Recalentador. (CFE, 2018)
El equipo principal que conforma este sistema es el siguiente:
1.-Desgasificador y tanque de almacenamiento. 2.-Bombas de Agua de Alimentación. 3.-Equipo auxiliar de las Bombas de Agua de alimentación. 4.-Tanque colector de Agua de sellos. 5.-Calentador de alta presión 6 y 7.
18
3.2.3 Sistema de vapor principal
El vapor producido en el generador de vapor con las características de presión y temperatura
adecuadas, es utilizado en la turbina, la cual convierte la energía térmica contenida en el vapor
en trabajo mecánico, para de esta manera mover el generador eléctrico al cual se encuentra
acoplada.
El sistema de vapor principal tiene por objeto describir el camino que recorre el vapor en el
interior de la turbina en cada una de sus etapas, llegar a la descarga en el condensador
principal, incluyendo los componentes relacionados con la operación y protección de la misma.
3.2.4 Sistema de enfriamiento principal
De acuerdo con (CFE, 2018),este sistema es uno de los más importantes, para la correcta
operación de una central termoeléctrica y tiene como principal objetivo suministrar el flujo
necesario de agua de mar al condensador principal, con el fin de llevar a cabo la condensación
del vapor de escape de la turbina de baja presión.
El equipo principal de este sistema es el siguiente: 1. - Canal de llamada. 2. - Rejas bastas con rastrillo mecánico. 3. - Mallas giratorias. 4. - Cárcamo de bombeo. 5. - Bombas de agua de circulación. 6. - Condensador. 7. - Tuberías para retrolavado.
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8. - Choque térmico. 9. - Pozo de sello o (zona de agujas). 10. - Subsistema de vacío de cajas de agua del condensador.
3.2.5 Sistema de análisis y muestreo
Este Sistema tiene como finalidad monitorear algunas características fisicoquímicas del agua
en los sistemas de agua de alimentación, vapor principal y condensado, verificando las
condiciones adecuadas y anormales para el proceso.
Los puntos de muestreo continuos llegan al tablero de acondicionamiento de muestras, donde
la muestra se ajusta bajándole temperatura y presión para que posteriormente pase por unos
analizadores en línea que monitorean continuamente el agua de precaldera y generador de
vapor como el Ph y la conductividad.
3.2.6 Sistema de dosificaión al ciclo Agua-Vapor
La dosificación química es un tratamiento que se proporciona al ciclo agua-vapor para
mantener un Ph del agua en condiciones normales, tanto del agua de alimentación
condensado y del generador de vapor, además remueve el oxígeno disuelto y dióxido de
carbono. El sistema cuenta con un conjunto de bombas que dosifican a ambas unidades y
pueden ser controladas desde la estación de control en el laboratorio químico. Este sistema
también cuenta con tanques de dosificación y almacenamiento de productos químicos, asi
como agitadores y válvulas de bloqueo.
3.2.7 Sistema de tratamiento de agua de repuesto al ciclo
La función principal de este sistema es obtener el agua de repuesto al ciclo a partir del agua
de mar, lo cual se lleva a cabo por medio de plantas evaporadoras y unidades pulidoras de
Intercambio Iónico.
El agua destilada producida por dos evaporadoras se almacena en un tanque de agua
destilada, de donde se transfiere mediante las bombas de transferencia de destilado a los
20
pulidores de Intercambio Iónico, cada uno con capacidad suficiente para tratar la producción
de las dos evaporadoras y para producir la calidad requerida del agua que alimenta al ciclo
agua-vapor.
Este producto obtenido de los pulidores de intercambio iónico se almacena en el tanque de
agua desmineralizada con capacidad suficiente para almacenar la demanda de dos
generadores de vapor.
Fig. 6.- Tanque de almacenamiento de agua desmineralizada
Finalmente, el agua desmineralizada se bombea mediante las bombas de transferencia de
agua desmineralizada a los tanques de almacenamiento de condensado de donde se
alimentará el agua de repuesto al ciclo, a través del condensador principal.
3.3 Impurezas del agua y daños que ocacionan
De acuerdo al ciclo hidrológico, el agua que cae en forma de lluvia adquiere muchas impurezas,
ya sea de la superficie de la tierra o bien de su paso a traves de las capas de subsuelo hasta
llegar a las corrientes subterráneas, por lo que es necesario saber cuáles son para determinar
la forma de eliminarlas. (CFE, 2018)
21
Para poder llevar a cabo un adecuado control de calidad del agua es necesario conocer las
impurezas que contiene, asi como los problemas que causan y sus métodos de tratamiento.
Las impurezas que contiene el agua, tanto de repuesto, como del ciclo agua- vapor, son
producto de fugas en los sistemas de demineralización, cualquiera que estos sean, o bien de
productos de corrosión del propio generador de vapor, por lo que en la tabla de la siguiente
página se mencionan algunos de los más comúnes y los menos deseados en los generadores
de vapor para producción de enérgia eléctrica (Tabla 1)
En este caso el presente proyecto se enfocará en los niveles de Sílice en las dos unidades de
generación eléctrica(11 y 12).
22
Tabla 1
Impurezas del agua, problemas y su tratamiento
23
3.3.1 Daños causados por impurezas del agua
Los daños ocasionados por un mal tratamiento del agua en el ciclo agua-vapor, se dividen en
tres:
a) CORROSIÓN b) DEPÓSITOS c) ARRASTRES
a) CORROSIÓN: Puede presentarse en las siguientes formas:
1) Adelgazamiento del metal o corrosión general: Es el resultado de una corrosión
continua y sobre un área grande del metal; el adelgazamiento puede progresar a un
punto en el cual el metal no puede contener la presión interna, lo que causará que el
metal se hinche y reviente.
2) Pitting: Ocurre cuando un área pequeña del metal es corroída y resulta un hueco
profundo llamado pit. Si no se controla este tipo de corrosión, algunos poros o huecos
logran atravesar el metal causando fugas. Cuando hay muchos huecos juntos, estos
pueden conectarse y provocar una fuga de mayor dimensión.
3) Corrosión cracking: Es otra forma de corrosión la cual puede afectar ciertos
materiales, en general, las aleaciones que son una mezcla de metales son más 7 al
cracking. El acero inoxidable y los latones como son susceptibles al cracking bajo ciertas
condiciones. El cracking es una forma de corrosión que ocurre a lo largo de una estrecha
banda del metal.
4) Exfoliación o dealeación: Ambos tipos de corrosión están asociados con una reacción
selectiva de sólo uno de los metales de una aleación. La exfoliación generalmente
24
ocurre en calentadores de agua de alimentación, el níquel es oxidado selectivamente
de las aleaciones de cupro-níquel dejando residuos de cobre metálico y óxido de níquel.
Cuando ocurre una dealeación en los latones, el zinc es removido del metal dejando
una masa esponjosa de cobre, a lo que comúnmente se le llama deszincficación.
5) Fragilización: Es un efecto de corrosión que cambia las propiedades físicas del metal,
algunas reacciones de corrosión causan que los metales disipen su ductilidad y fuerza
normal y se vuelvan frágiles y débiles. La fragilización no puede ser vista mediante la
inspección de tubos de caldera que no han fallado, sin embargo, un tubo fragilizado que
ya falló, tendrá una apariencia cristalizada en los bordes de los puntos de falla y
usualmente no dará evidencias de pandeo.
b) DEPÓSITOS EN SUPERFICIES DE TRANSFERENCIA DE CALOR.
1) Depósitos de productos de corrosión: Los productos de corrosión en el sistema
precaldera, pueden ser acarreados por el condensado y agua de alimentación como
sólidos suspendidos, estos forman usualmente depósitos en la caldera. Casi todos los
productos de corrosión son insolubles en agua y son encontrados a menudo en el fondo
del domo y cabezales. Los productos de corrosión también pueden depositarse en las
superficies de los tubos de caldera, donde actúan como aislamiento térmico, causando
recalentamiento en los tubos. Los depósitos de productos de corrosión, ayudan a la
formación de sitios de corrosión para ataques cáusticos o ácidos.
2) Depósitos de dureza: El calcio y el magnesio pueden formar depósitos cuando el agua
de repuesto no es lo suficientemente pura o cuando se desarrollan fugas en los tubos
del condensador y se contamina el agua de alimentación con dureza. Todos los
contaminantes presentes en el agua de alimentación entran a la caldera donde
si no hay un tratamiento adecuado del agua, las elevadas temperaturas causan que la
dureza se precipite como incrustación.
25
Debido a que ambos depósitos en la superficie de transferencia de calor pueden
provocar sobrecalentamiento y problemas de corrosión es necesario limpiar
internamente las calderas. En la siguiente figura pueden observarse las gradientes de
temperatura en un tubo de agua de caldera con incrustación y otro limpio, se aprecia
cómo, en un tubo con depósitos, la temperatura de la pared expuesta al fuego, se eleva
a valores muy por encima de la zona de operación segura.
Fig. 7.- Gradientes de Temperatura en Tubos de Caldera
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3) ARRASTRES: Si el vapor contiene gotas de agua cuando sale del domo de vapor,
puede provocar daños severos. Las sales disueltas contenidas en las gotas de agua
de caldera pueden dejar depósitos en los sobrecalentadores donde las gotas de agua
evaporadas por completo. Una acumulación de depósitos en las superficies de
transferencia de calor genera un sobrecalentamiento debido a su efecto de aislamiento
térmico, como se aprecia en la imagen anterior, esto provoca fallas en los tubos del
sobrecalentador. (CFE, 2018).
Algunas impurezas en el vapor pueden ser arrastradas a la turbina y depositarse
en ella causando pérdida de eficiencia, corrosión y algunas veces hasta vibración en
la turbina.
El peor de todos los efectos dañinos que la Sílice puede provocar, ocurre cuando en
forma disuelta en el vapor generado, es arrastrado a la turbina con otros sólidos,
induciendo depósitos en los álabes de la turbina, reduciendo con esto la eficiencia de
operación de la planta, el arrastre selectivo de la sílice se ve influido con la presión de
operación de la caldera y la concentración de la misma. (CFE, 2018)
La cantidad de sílice tolerable en el vapor generado, en base a experiencia, no debe
exceder de 0.02 ppm (200ppb), por lo tanto, para mantener la concentración de sílice
en el vapor dentro de los límites tolerables, el agua de alimentación debe ser
adecuadamente controlada desde la planta desmineralizadora.
En función de sus fuentes, la sílice en el vapor generado puede clasificarse de la
siguiente manera:
27
1) La que trae consigo la arena, polvo, etc., durante el montaje de la caldera.
2) La que es arrastrada a la planta en el agua de repuesto.
La primera debe ser removida por medio de la limpieza química pre operacional, purga
en el período de arranque inicial y purgas durante la operación normal de la caldera.
En esta última etapa, debe purgarse en operación durante los incrementos de presión
Para evitar problemas de incrustación de sílice, sus límites de concentración deben
mantenerse debajo de los valores tolerables, en la siguiente gráfica se aprecian los
valores máximos permisibles de sílice en agua de caldera para diferente pH en función
de la presión de operación para mantener una concentración en vapor menor a 0.02
ppm(200ppb).En la siguiente gráfica se da un ejemplo de la purga de la sílice durante
el arranque y operación de una caldera. (CFE, 2018)
Fig. 8.- Grafica Presión del Domo vs Día en el arranque de operación de una caldera
28
En este ejemplo se van al mismo tiempo realizando purgas del agua del domo con lo cual
se va removiendo la sílice del sistema y al ir alcanzando los valores permitidos se va
incrementando la presión, es por esta razón que el incremento de presión es escalonado.
3.3.2 Operación de la purga en alta y baja concentración de Sílice
Las purgas son extracciones que se realizan a los equipos para mantener los parámetros
del fluido contenido en ellos en los valores previamente recomendados, esto se realiza
para bajar su concentración y así mantenerla en los niveles permisibles de Sílice.
En este caso, es necesario hacer un análisis continuo cada hora para asegurarse que los
niveles de Sílice están fuera del rango permisible
El manejo de la purga de baja y alta concentración de sílice dependerá de los resultados
obtenidos mediante el análisis, y se procederá a abrir o cerrar la purga en caso de que
sea necesario. Los datos de la purga deben registrarse en el libro de análisis de agua.
29
3.3.3 Parámetros químicos afectados en cualquier maniobra operativa
En la siguiente tabla (tabla 2) se muestran los parámetros químicos afectados en alguna
maniobra operativa, ya pueda ser de arranque, paro o movimiento de carga.
Tabla 2
Parámetros Químicos Afectados en Cualquier Maniobra Operativa
CAPÍTULO 4
31
DESARROLLO DEL PROYECTO DE ESTADÍA
A continuación, se presenta el método de análisis de las muestras del ciclo agua-vapor,
así como los resultados de lo mencionado para realizar una gráfica y así plasmar los
valores resultantes; Los análisis se realizaron a todas las muestras de las dos unidades
de la central termoeléctrica Manzanillo II (vapor principal, condensado, agua de
alimentación y purga continua).
Fig. 9 .- Determinación de Sílice
32
4.1 Determinación de Sílice en Alta concentración
DEPARTAMENTO QUÍMICO DE LA CENTRAL TERMOELÉCTRICA MANZANILLO II
RESUMEN: Este procedimiento describe el proceso para determinar la cantidad de Sílice existente
en una muestra de agua por medio de un método fotocolorimétrico. Los análisis se
realizan día con día, 3 análisis por turno en un intervalo de 3 horas; en este presente
proyecto se plasman los resultados de los análisis realizados en el horario de las 8:00
am, en total se capturaron 60 días de análisis de Sílice.
ACTIVIDADES PARA DETERMINACION DE SÍLICE
FUNDAMENTOS
Este método está basado en la reacción de la Sílice soluble con el ion Molibdato
para formar un complejo de color amarillo verdoso, el cual a su vez se transforma
en un complejo de color azul. La interferencia de los fosfatos se elimina por medio
del empleo de Ácido Oxálico.
MATERIAL Y EQUIPO DE LABORATORIO:
Fig. 10.- Fotocolorímetro Fig. 11.- Matraces de125ml o 250ml
33
Fig. 12.- Probeta 50ml Fig. 13.- Filtro Rojo
Fig. 14.-Cuatro buretas graduadas
34
REACTIVOS
Fig. 15.- Ácido Clorhídrico Fig. 16.-Molibdato de Amonio al 10%
-
Fig. 17.-Ácido Oxálico al 10 Fig. 18.-Ácido Amino-Naftol-sulfónico
35
4.2 MÉTODO DE ANÁLISIS DE SÍLICE
1.- Tomar 50 ml de la muestra de cada una de las unidades (vapor principal, condensado, agua de alimentación y purga continua). 2.-Transferir a los matraces Erlenmeyer 3.- Agregar 2ml de Ácido clorhídrico 1:1 4.- Agregar 2 ml de Molibdato de Amonio al 10% 5.- Agitar 6.- Esperar 5 minutos 7.- Agregar 1.5ml de Ácido Oxálico al 10%, a las muestras de purga continua se le agregara el doble 8.- Agitar 9.- Esperar 2 min. 10.- Agregar 2ml de ácido Amino- Naftol- Sulfónico. 11.- Agitar 12.- Esperar 5min. 13.- Durante los 5 minutos de espera, 14.- Tomar agua desmineralizada como blanco. 15.- Colocar el fotocolorímetro con la celda en posición longitudinal y filtro de color rojo.
16.- Una vez calibrado el aparato con el blanco, desechar el contenido de la celda.
17.- Colocar la muestra en la celda.
18.- Colocar la celda en el fotocolorímetro en posición longitudinal.
19.- Realizar análisis y tomar lectura.
20.- Llevar la lectura tomada en el fotocolorímetro a la curva de calibración
correspondiente, para obtener directamente las ppb de Sílice.
36
21.-Una vez tomada la lectura, desechar el contenido de la celda y enjuagar con agua
desmineralizada todo el material utilizado.
22.-Registre el valor obtenido de sílice en el espacio correspondiente del INFORME
DIARIO DE ANALISIS Y CONTROL DEL TRATAMIENTO DE AGUAS.
NOTA: en caso de tener dos o más muestras para determinación de sílice, se deberá
realizar el análisis en el fotocolorímetro primeramente a la muestra de menor intensidad
de coloración desarrollada.
SECUENCIA DE IMÁGENES DE ANÁLISIS
Fig. 19.- llenado de probeta (50ml)
37
Fig. 20.- vaciado a matraces
Fig. 21.- 2ml de ácido clorhídrico
38
Fig. 22.- 2ml molibdato de amonio
Fig. 23.- ácido oxálico
39
Fig. 24.- ácido naftol sulfónico
Fig. 25.- lectura de niveles de Sílice
CAPITULO 5
CONCLUSIONES
43
5.1 Resultados
A continuación, se muestran dos tablas que contienen los resultados diarios de los análisis realizados en un lapso de 60 días; la primera tabla es de la unidad 11 y la segunda de la unidad 12. Todos los resultados de cada muestra están descritos en ppb(PARTES POR BILLÓN)
Tabla 3
DIARIO DE ANALISIS DE SILICE EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS. UNIDAD.11
(PPB)
DIA Vapor principal
Condensado Agua de alimentación
Purga Continua
1 12 12 14 33
2 12 12 14 39
3 14 14 14 33
4 12 12 14 33
5 12 14 14 12
6 8 10 12 24
7 8 8 8 21
8 8 10 12 33
9 8 10 10 26
10 10 10 12 24
11 8 8 8 21
12 12 12 10 33
13 10 12 12 26
14 8 10 10 19
15 12 8 10 24
16 8 8 8 28
17 8 8 10 26
18 14 14 12 35
19 10 10 8 19
20 10 8 10 21
21 8 10 10 21
22 8 12 10 30
44
23 14 14 12 28
24 8 8 8 30
25 10 10 10 26
26 12 10 10 37
27 10 10 12 30
28 10 12 12 30
29 8 8 10 24
30 12 10 10 21
31 12 10 10 24
32 12 10 10 24
33 10 10 12 33
34 10 12 10 33
35 14 12 12 39
36 8 8 10 35
37 10 10 12 28
38 10 10 12 26
39 17 17 19 42
40 17 19 19 39
41 8 10 8 21
42 8 8 8 30
43 8 8 8 24
44 14 12 12 21
45 10 12 10 26
46 12 12 12 24
47 0 0 0 0
48 0 0 0 0
49 23 10 10 12
50 0 0 0 0
51 0 0 0 0
52 10 10 8 21
53 10 10 10 26
54 5 5 5 30
55 14 14 14 47
56 10 8 10 26
57 10 10 10 28
58 0 0 0 0
59 0 0 0 0
60 0 0 0 0
45
Fig. 26.- Resultados de análisis de Sílice
Unidad 11 (PPB)
En la gráfica anterior se aprecian los resultados obtenidos en un lapso de 60 días, de las
cuatro muestras de la unidad número 11 (vapor principal, condensado, agua de
alimentación y purga continua. Existe una relación entre las tres primeras muestras,
(vapor principal, condensado y agua de alimentación) a diferencia de los valores de la
muestra de purga continua, resultando estos con niveles mayores a los del resto, aun así,
ninguna de las muestras resultó mayor al límite permisible de niveles de Sílice (20ppb
para vapor principal, condensado y agua de alimentación y 200ppb para purga continua)
excepto en el día 49 que se concentró el sílice en vapor principal por un paro de unidad
de sistema, al igual que en los días 54,55 y 56; en este caso se abrieron purgas a una
vuelta para disminuir su concentración y fue necesario realizar análisis cada hora hasta
que se vió reflejada la disminución de niveles y se normalizaron. En los días 47 50 y 58
se sacó de línea la unidad debido a presencia de fuga de agua en tuberías del sistema,
una vez resuelta la contingencia se procedió a realizar maniobras de arranque para
generar electricidad.
46
Tabla 4
DIARIO DE ANÁLISIS DE SILICE EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS. UNIDAD 12
DIA Vapor principal
Condensado Agua de alimentación
Purga Continua
1 14 14 14 30
2 14 14 14 30
3 14 12 12 28
4 12 17 14 14
5 10 10 12 21
6 5 8 8 17
7 8 8 8 21
8 10 10 10 28
9 10 10 10 30
10 0 0 0 0
11 0 0 0 0
12 21 21 21 57
13 8 10 10 19
14 5 10 10 19
15 8 8 8 21
16 8 5 12 21
17 17 12 12 19
18 0 0 0 0
19 0 0 0 0
20 10 12 12 44
21 0 0 0 0
22 12 12 14 39
23 8 10 12 28
24 8 8 8 19
25 12 8 12 30
26 10 8 10 21
27 0 0 0 0
28 12 14 17 51
29 10 10 12 28
47
30 10 10 10 21
31 10 10 10 24
32 10 10 10 24
33 8 8 8 21
34 12 10 12 21
35 8 8 10 21
36 12 10 10 26
37 12 10 10 24
38 19 19 14 33
39 17 17 17 26
40 8 8 10 17
41 8 8 8 17
42 8 8 8 19
43 12 10 14 17
44 12 12 12 21
45 10 10 10 21
46 0 0 0 0
47 3 3 3 17
48 0 10 10 21
49 30 30 30 139
50 21 19 21 30
51 5 14 5 12
52 10 10 10 22
53 10 10 10 30
54 3 5 8 26
55 8 8 10 28
56 8 8 10 26
57 12 14 14 24
58 10 10 10 24
59 12 10 10 24
60 8 8 10 19
48
Fig. 27.- Resultados de análisis de Sílice
Unidad 12 (ppb)
En la tabla superior se aprecian los resultados ahora para la Unidad número 12, se
presenta también una relación entre vapor principal, agua de alimentación y condensado,
siendo los valores menores que la unidad 11. En el caso de los resultados de las muestras
de purga continua se observan resultados con mayor concentración de Sílice, pero sin
excederse de los valores límites.
Puede apreciarse en los días no. 12, 49 y 50 en las muestras de vapor principal,
condensado y agua de alimentación excedieron los niveles permitidos, debido a paros en
la unidad por fuga de agua y por sistema de control, por este motivo se procedió a abrir
purga a una vuelta para disminuir la concentración, al igual que analizar el agua de las
cuatro muestras cada hora hasta verse normalizadas las concentraciones de Sílice. En
los días 10 y 18 se realizó paro de unidad por sistema de control.
49
5.2 CONCLUSIONES Los resultados anteriores hacen visibles el comportamiento y concentración de Sílice en el ciclo agua- vapor del proceso de generación termoeléctrica, es de vital importancia mantener los niveles permisibles de este químico, al igual que los demás compuestos que controlan y analizan en el laboratorio químico de la central Manzanillo II ( niveles de Fosfatos, Hidracina y Amoniaco) ya que si exceden los niveles pueden ser dañinos para el óptimo funcionamiento del proceso de generación eléctrica. Afortunadamente el departamento Químico-Ambiental cuenta con las medidas de corrección necesarias en dado caso que sobrepasen los niveles de dichos compuestos, estas medidas fueron aplicadas en los instantes necesarios para así lograr normalizar el ciclo y mantener el control del agua utilizada en el proceso en general. 5.3 Trabajos Futuros
No aplica
5.4 Recomendaciones
Análisis de hierro, cobre y zinc en agua de tratamiento para tener un mayor control de
compuestos que puedan ser dañinos en alta concentración en la generación de
electricidad de la central termoeléctrica Manzanillo II.
50
BIBLIOGRAFÍA
Comisión Federal de Electricidad. (revisión 2018) MANUAL DEL AUXILIAR QUÍMICO.
Manzanillo, Colima, México. CFE Comisión Federal de Electricidad. (revisión 2018) ACCIONES CORRECTIVAS. Manzanillo, Colima, México. CFE Comisión Federal de Electricidad. (revisión 2018) CRITERIOS, CONTROL QUÍMICO. Manzanillo, Colima, México. CFE
