Durante la operación, la válvula de control de agua de alimentación de la bomba eléctrica regula el nivel normal de agua en el tambor de vapor a bajas cargas de la unidad. Cuando la carga alcanza el 40%, el sistema pasa automáticamente a la bomba accionada por vapor para su funcionamiento. Sin embargo, en condiciones de alta carga, si la bomba accionada por vapor se desconecta, la bomba eléctrica debe ser capaz de suministrar agua rápidamente durante el arranque, garantizando la estabilidad del nivel de agua y de la presión en el tambor de vapor. Por ello, es necesario que la válvula de control de agua de alimentación presente excelentes características de regulación, en particular una característica de control lineal. (Si se empleara en su lugar una característica de porcentaje igual, la válvula se abriría entre 2 y 3 segundos más lentamente durante el arranque de la bomba eléctrica, lo que provocaría inestabilidad en el nivel de agua del tambor de vapor y obligaría a los operadores a realizar ajustes manuales del sistema. Además, esto impondría exigencias extremadamente altas sobre el rendimiento del acoplamiento hidráulico.) Asimismo, la capacidad de flujo de la válvula de control de agua de alimentación debe satisfacer el caudal de agua de alimentación requerido al 50% de la carga de la unidad.

En los sistemas de tuberías de las centrales térmicas, las válvulas de control se utilizan ampliamente para regular el caudal y la presión de los fluidos de proceso. Estas válvulas operan bajo condiciones de alta exigencia y, durante la operación, su gestión suele realizarse a través de un sistema de control distribuido (DCS). Cuando las condiciones de operación cambian, es fundamental que cada sistema mantenga una estabilidad y una coordinación elevadas. Por ello, el análisis de los modos de operación y de sus efectos —junto con la consideración de las características del flujo y de los parámetros del proceso— resulta esencial para proporcionar orientación valiosa en la selección de las válvulas de control adecuadas para aplicaciones en centrales eléctricas.

2 Principio de ajuste

La válvula de control en una tubería actúa como un elemento de estrangulamiento con resistencia variable. A medida que el fluido fluye a través de ella, debe vencer esta resistencia, lo que implica el consumo de una cierta cantidad de energía. Esto da lugar a pérdidas de velocidad y de carga del fluido, lo que, en última instancia, permite un control preciso del caudal y de la presión. Entre los parámetros clave que reflejan las características estructurales y operativas de la válvula de control se encuentran el coeficiente de flujo Kv, las características de flujo, la presión nominal, el diámetro nominal y el grado de apertura de la válvula. De ellos, las características de flujo determinan directamente el desempeño regulador de la válvula y desempeñan un papel crucial para garantizar el funcionamiento estable de todo el sistema.

De acuerdo con la relación entre el caudal relativo de la válvula y su apertura relativa, el flujo del medio puede clasificarse en características de flujo lineal, de flujo de porcentaje igual, de flujo parabólico y de flujo de apertura rápida (Figura 1).

Figura 1: Curva de característica de flujo

Las válvulas con características de flujo lineales presentan cambios relativos de caudal significativos a pequeñas aperturas, lo que las hace muy sensibles pero difíciles de controlar con precisión. En cambio, a mayores aperturas, su variación relativa de caudal disminuye, lo que se traduce en tiempos de respuesta más lentos. Por otro lado, las válvulas con características de flujo de porcentaje igual tienen un bajo factor de amplificación a pequeñas aperturas, lo que garantiza una regulación suave y gradual; mientras que a aperturas más grandes, dicho factor de amplificación aumenta, permitiendo ajustes rápidos y eficaces. La característica de flujo parabólico se sitúa entre los comportamientos de flujo lineal y de porcentaje igual. Finalmente, las válvulas de apertura rápida proporcionan un caudal considerable incluso con aperturas mínimas; a medida que la válvula se abre más, el caudal se acerca rápidamente a su valor máximo, tras lo cual cualquier aumento adicional de la apertura solo produce cambios menores en la tasa de flujo.

3 opciones para elegir

3.1 Válvulas de control de condensado de alta y baja carga

La válvula de regulación de baja carga del condensado mantiene el nivel de agua del desaireador antes del arranque de la unidad y es capaz de satisfacer la demanda de carga del 40% de la unidad. Cuando la apertura de la válvula de regulación de baja carga del condensado alcanza el 87,5%, la válvula de regulación de alta carga del condensado comienza a abrirse, integrándose al sistema para regular el caudal de condensado. Sin embargo, si la válvula de regulación de alta carga del condensado se abre menos del 10% a una carga del 50% de la unidad, resulta difícil mantener un control adecuado del nivel de agua del pozo caliente del condensador. Durante el apagado, la válvula de regulación de alta carga debe permanecer completamente cerrada. Además, la capacidad de flujo de la válvula de alta carga debe prever posibles problemas, como la falla de la válvula de regulación de baja carga, los malfuncionamientos en la recirculación del condensado y las fugas del sistema. Según el modo de operación, las características de flujo de la válvula de regulación de baja carga del condensado deben ser lineales, mientras que las de la válvula de regulación de alta carga del condensado deben seguir una curva de porcentaje igual.

3.2 Válvula de control del suministro de agua

Durante la operación, la válvula de control de agua de alimentación de la bomba eléctrica regula el nivel normal de agua en el tambor de vapor a bajas cargas de la unidad. Cuando la carga alcanza el 40%, el sistema pasa automáticamente a la bomba accionada por vapor para su funcionamiento. Sin embargo, en condiciones de alta carga, si la bomba accionada por vapor se desconecta, la bomba eléctrica debe ser capaz de suministrar agua rápidamente durante el arranque, garantizando la estabilidad del nivel de agua y de la presión en el tambor de vapor. Por ello, es necesario que la válvula de control de agua de alimentación presente excelentes características de regulación, en particular una característica de control lineal. (Si se empleara en su lugar una característica de porcentaje igual, la válvula se abriría entre 2 y 3 segundos más lentamente durante el arranque de la bomba eléctrica, lo que provocaría inestabilidad en el nivel de agua del tambor de vapor y obligaría a los operadores a realizar ajustes manuales del sistema. Además, esto impondría exigencias extremadamente altas sobre el rendimiento del acoplamiento hidráulico.) Asimismo, la capacidad de flujo de la válvula de control de agua de alimentación debe satisfacer el caudal de agua de alimentación requerido a un 50% de la carga de la unidad.

3.3 Válvula de control de recirculación de la bomba de vapor

El punto de consigna del caudal de recirculación de la bomba de vapor se establece en el 25% del caudal nominal de la bomba. Cuando el caudal de la bomba de vapor se encuentra entre el 25% y el 30% del caudal nominal, la válvula de control de recirculación de la bomba de vapor se abre hasta el 25%. Sin embargo, si el caudal de la bomba de vapor supera el 25% del caudal nominal, la válvula de recirculación se cierra por completo. Por el contrario, cuando el caudal de la bomba de vapor desciende por debajo del 25% del caudal nominal, la válvula de recirculación ajusta su apertura desde el 25% hasta el 100%. Entre el 0% y el 25%, la válvula presenta una característica de apertura rápida con un comportamiento de control lineal, lo que evita que los componentes de la válvula se erosionen debido al desgaste excesivo en posiciones de apertura muy bajas.

3.4 Válvula de control del calentador

En algunas unidades, las válvulas de control del drenaje de emergencia están diseñadas con características de flujo de apertura rápida. Cuando el nivel de agua del calentador se eleva demasiado o la válvula de control del drenaje normal falla, la válvula de drenaje de emergencia se abre completamente, lo que hace que el calentador funcione sin ningún nivel de agua—lo que resulta en una baja eficiencia, una severa erosión por vapor y agua, y vibraciones significativas en el sistema de tuberías interno. Por ello, se recomienda seleccionar la válvula de control del drenaje de emergencia con una característica lineal. Este diseño permite que la válvula se abra rápidamente ante fugas del calentador, garantizando un caudal adecuado y, al mismo tiempo, posibilitando una estimación precisa de la tasa de fuga en función del grado de apertura de la válvula. Además, cuando la válvula de control del drenaje normal presenta un mal funcionamiento, la válvula de drenaje de emergencia puede intervenir para mantener un drenaje adecuado, protegiendo así el funcionamiento del calentador. Por lo general, la capacidad de flujo de la válvula de drenaje de emergencia es de 1,5 a 3 veces mayor que la de la válvula de control del drenaje normal.

3.5 Válvula de control del sello del eje

Durante el arranque y a una carga del 50%, la unidad de turbina recibe vapor auxiliar para el sistema de sellado del eje. Este sistema incluye, entre otros componentes, una válvula de control del suministro de vapor, una válvula de alivio de presión y una válvula de control del agua desupercalente. Cuando la carga de la unidad supera el 50%, la válvula de control del suministro de vapor del sellado del eje se cierra, ya que la fuga de vapor procedente del vástago de la válvula de vapor principal satisface ahora de manera adecuada los requisitos del sellado del eje. En este momento, el sistema depende de la válvula de alivio de presión del sellado del eje para realizar un ajuste fino, lo que permite que el sistema de sellado del eje opere en modo autosealante. Dado que el sistema de sellado del eje de la unidad principal influye directamente en la seguridad de la operación —una presión excesiva en el sellado del eje puede provocar la entrada de agua en el sistema de aceite de lubricación, mientras que una presión insuficiente puede dar lugar a niveles de vacío deficientes—, es fundamental mantener condiciones estables. Para evitar paradas innecesarias causadas por fluctuaciones excesivas de presión o por fallos de las válvulas durante la operación, se recomienda seleccionar una característica de flujo de igual porcentaje para la válvula de control del sellado del eje e incorporar la posibilidad de operación manual. A modo de referencia, la Tabla 1 presenta ejemplos de la aplicación de válvulas reguladoras en los sistemas de tuberías de las centrales térmicas.

Tabla 1: Aplicación de cada válvula de control en el sistema

4 Conclusión

Con base en el modo de operación y los principios del sistema, la selección adecuada de las características de flujo de las válvulas de control puede mejorar su desempeño de regulación, reducir las pérdidas de energía del fluido, prolongar la vida útil de la válvula, aliviar la carga de trabajo de los operadores, minimizar el ruido ambiental, aumentar la eficiencia de la planta y garantizar una operación segura y estable de la unidad.