Estudio de los esfuerzos térmicos y mecánicos de un generador de vapor en la fase de encendido

Abstract

En el presente estudio se analiza el comportamiento termomec´anico de los haces tubulares de un generador de vapor durante su fase de encendido. El principal problema que surge durante esta fase es la carga mec´anica y t´ermica a la que se ven sometidos los materiales en el arranque en fr´ıo. Esto se debe a la diferencia de temperaturas que se produce entre el hogar y el interior de los tubos, provocando entre ellos un esfuerzo mec´anico mayor que en su funcionamiento a r´egimen nominal. Por ello, los fabricantes recomiendan una carga del quemador lo m´as baja posible en torno al 25 % durante el arranque, hasta alcanzar un calentamiento progresivo en los elementos internos del generador. En este estudio durante la fase de encendido de los generadores de vapor, se analizan las recomendaciones de los fabricantes, se tienen en cuenta las condiciones m´as desfavorables que pudieran darse durante el encendido: m´axima temperatura en el hogar y temperatura ambiente (25ºC) para el agua del interior de los tubos. As´ı se investigan posibles alternativas para reducir el tiempo en el momento del encendido, o bien se corrobora dichas recomendaciones. Adem´as se visualizan las zonas donde se localizan los mayores esfuerzos. El proyecto se desarrolla en varias fases. Primero se modeliza un generador de vapor partiendo de dimensiones reales, en el software libre (FreeCAD). Luego, se realiza con la herramienta (FEM) un an´alisis utilizando el m´etodo de elementos finitos, que es un m´etodo num´erico de ecuaciones diferenciales parciales que se aplica en las geometr´ıas creadas para el estudio termomec´anico. Se supone una temperatura en el hogar con una carga del quemador del 100 % en el encendido, igual a su demanda m´axima. Tambi´en se analizan los resultados obtenidos en el estudio, comprobando el comportamiento de los materiales con el quemador a m´axima carga y la temperatura del agua en el interior de los tubos a 25º C. Finalmente se hace un an´alisis comparativo entre las recomendaciones de los fabricantes y los datos obtenidos en este estudio.

In the present study, the thermomechanical behavior of the tubular bundles of a steam generator during its ignition phase is studied. The main problem that arises during this phase is the mechanical and thermal load to which the materials are subjected in the cold start. This is due to the difference in temperatures that occurs between the furnace and the interior of the pipes, causing a greater mechanical effort among them than in their operation at nominal speed. Therefore, manufacturers recommend a burner load as low as possible around 25 % during start-up, until a progressive heating is achieved in the internal elements of the generator. In this study during the ignition phase of the steam generators, the recommendations of the manufacturers are analyzed, taking into account the most unfavorable conditions that could occur during the ignition: maximum temperature in the home and room temperature (25ºC) for the water inside the tubes. So it will be study possible solutions to reduce the time in the ignition system, or corroborate these recommendations. In addition, the areas where the greatest efforts are located are displayed. The project will be developed in several phases. First the steam generator is modeled starting from real dimensions, in free software (FreeCAD). Then, an analysis using the finite element method, which is a numerical method of partial differential equations applied in to geometries, created for the thermomechanical study, is performed with the tool FEM. A temperature in the furnace is assumed with a burner load of 100 % at ignition, equal to its maximum demand. The results obtained in the study are also analyzed, checking the behavior of the materials with the burner at maximum load and the temperature of the water inside the tubes at 25º C. Finally, a comparative analysis will be made between the recommendations of the manufacturers and the data obtained in this study.