Ciclo de carga e metais de caldeira: como salvar sua usina de energia

Como muitas usinas movidas a carvão projetadas para serviços de carga básica são solicitadas a operar em ciclos, tensões imprevistas foram introduzidas nas peças de pressão da caldeira. Compreender os efeitos e implementar estratégias de mitigação pode prevenir falhas prematuras de componentes e manter as instalações operando de forma confiável.

Em 3 de agosto de 2015, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA finalizou o Plano de Energia Limpa, que exige cortes na poluição de carbono das usinas existentes. Essa regra, juntamente com os baixos preços do gás natural, pode resultar em instalações movidas a gás natural sendo usadas com mais frequência para energia de carga básica e usinas movidas a carvão sendo cicladas, mais do que nunca, para atender aos requisitos da rede.

A maioria das unidades movidas a carvão foram projetadas e construídas como unidades de carga básica, sem qualquer previsão de mudanças significativas na carga. Mas as turbinas de combustão e os geradores de vapor com recuperação de calor oferecem eficiências térmicas mais altas (cerca de 60%) do que as caldeiras a carvão (as melhores usinas a vapor podem operar com uma eficiência máxima de cerca de 40%), o que também está contribuindo para uma mudança nas tendências de despacho.

Embora as usinas a carvão ainda estejam em alta demanda, fontes alternativas são muito atraentes do ponto de vista ambiental. O aumento de recursos variáveis ​​de energia renovável, como energia solar e eólica, está colocando pressão adicional sobre as usinas movidas a carvão para carregar a seguir. No entanto, a ciclagem de carga em usinas a carvão causa efeitos negativos de longo e curto prazo na confiabilidade e disponibilidade do equipamento.

O ciclo de carga pode incluir condições de baixa carga, inicialização a quente, inicialização a quente e/ou inicialização a frio. Assim como o termo sugere, uma condição de baixa carga ocorre quando a saída é reduzida e a unidade é operada com uma carga mínima sem ser desligada. Quando uma unidade é ligada e desligada diariamente, ela geralmente passa por uma inicialização a quente. As partidas a quente geralmente ocorrem em unidades que operam por quatro a cinco dias continuamente e depois são desligadas durante os fins de semana, enquanto uma partida a frio segue um desligamento de manutenção prolongado (geralmente a planta terá implementado um procedimento de paralisação para esses longos períodos de manutenção).

A seguir estão os efeitos indesejáveis ​​mais comuns desses tipos de operações cíclicas.

Fadiga Rastejante. As caldeiras utilitárias são construídas com diferentes materiais e espessuras. Esses materiais se expandem e se contraem em taxas diferentes. Além dos danos por fluência, os componentes de alta temperatura, como superaquecedores e reaquecedores, sofrem fadiga térmica e mecânica. O efeito cumulativo é conhecido como fadiga por fluência.

O dano resultante é muito mais grave do que o dano de fluência ou fadiga independente. Sob carga cíclica, as soldas do tubo ao coletor desenvolvem trincas devido a uma combinação de tensões de fadiga e tensões circulares. As tensões de fadiga podem resultar do movimento relativo entre os componentes, especificamente durante o aquecimento ou resfriamento, ou quando ocorrem mudanças de carga devido a tensões transitórias. Tensões de fadiga também podem estar presentes como resultado de flexibilidade inadequada da perna do tubo, suportes/fixações defeituosas ou fixações rígidas nas peças de pressão.

Fissuração Ligamentar. Tubos individuais de superaquecimento (SH) e reaquecimento (RH) de alta temperatura podem operar em diferentes temperaturas devido a variações na distribuição de calor, escória, incrustação e desalinhamento. Portanto, o vapor entra no coletor em diferentes temperaturas.

A ciclagem de carga exacerba a diferença de temperatura entre os tubos individuais, porque a taxa de disparo é ajustada durante as mudanças de carga para manter a pressão e a temperatura. Durante o aumento de carga, a caldeira é temporariamente superaquecida e a condição se inverte quando a carga é reduzida. Isso causa choques térmicos transitórios no cabeçalho, resultando em rachaduras nos ligamentos.

Fadiga Térmica do Circuito de Alta Temperatura. Além dessas tensões térmicas, as tensões externas associadas à expansão e contração do cabeçote podem causar danos às unidades cíclicas, resultando em trincas por fadiga nos anexos. Um componente de fadiga adicional pode existir sempre que os componentes são unidos por meio de soldagem, porque diferentes partes se expandem e se contraem em taxas diferentes. Embora o componente de fadiga esteja dentro do limite de resistência, ele afetará as propriedades de fluência dos componentes.