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Termosolares

El Sistema HTF

ÍNDICE:

1. SISTEMA DE BOMBEO PRINCIPAL.

2. SISTEMA DE ULLAGE.

3. SISTEMA ANTI-CONGELACIÓN.

4. SISTEMA DE NITRÓGENO.

5. TANQUES DE EXPANSIÓN.

6. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE SALES (TES).

7. CALDERA AUXILIAR.

INTRODUCCIÓN

Figura 1. Dos posibles configuraciones.

La función principal del sistema HTF es transportar el calor captado por los concentradores cilindro parabólicos hasta el ciclo agua-vapor, para que este pueda generar vapor con el que accionar la turbina.

La razón fundamental por la que se elige el aceite térmico es porque tiene que circular por el campo solar, si fuera agua, a ese temperatura tendría que tener una gran presión, lo que encarece todo el sistema, ya que se deben emplear tuberías más resistentes y bombas más potentes.

El sistema puede tener almacenamiento en cuyo caso habría que sobre dimensionar el campo de captadores solares para derivar parte del calor a los depósitos de sales o sin almacenamiento.

  Tabla 1. Parámetros característicos del sistema HTF.

El campo de colectores esta formado por una gran cantidad de tuberías encargadas de transportar el aceite termico a todos los sistemas que componente el HTF, son tuberías de acero al carbono, recubiertas de aislante y con una superficie final de chapa galvanizada, parte de las tuberías están traceadas, las principales características con las que se puede describir las tuberías del campo solar son las siguientes:

1)     Están sometidas a fuertes variaciones de temperatura (dilataciones y tensiones térmicas).

2)     Circulan dos tuberías en paralelo, la del fluido frío y la del caliente.

3)     Cada lazo tiene una conexión a la tubería fría (entrada)  y otra a la caliente (salida).

4)     Necesita “liras” para absorber las dilataciones, más o menos unas cada 70 metros .

5)     Necesitan juntas de dilatación en determinados puntos para absorber diltataciones.

6)     No puede ir traceada, por coste, ya que son muchos kilómetros.

7)    Para evitar la congelación es necesario hacer circular el aceite de forma continua, evitando a  toda costa que se quede retenido.

8)  Las uniones no pueden ir con bridas, van con soldaduras para evitar fugas, lo que implica mantenimiento.

Figura 2. Campo de colectores.

El sistema HTF esta compuesto por los siguientes subsistemas:

  • 1. SISTEMA DE BOMBEO PRINCIPAL.

  • El sistema de bombeo esta compuesto por una serie de grandes bombas encargadas de hacer circular el aceite térmico por toda la planta, la potencia de estas bombas suele rondar 1MW, existiendo 6 bombas en las plantas de 50 MW, de las 5 están trabajando en paralelo y 1 esta de repuesto, la presión suele ser de 30 bar., las bombas utilizadas suelen ser de tipo Sulzer de impulsor en voladizo, con doble cierre en un solo lado y con aspiración horizontal y descarga vertical, también pueden ser usadas otras de mayor potencia como usando solo 1 o 2 en serie de 2MW por bomba con una presión de entre 15-30 bar., siendo estas bombas del tipo Novo Pignone, con impulsor con doble apoyo, doble cierre en ambos lados del impulsor y aspiración vertical, con descarga vertical.

    Figura 3. Sistema de bombeo principal

  • 2. SISTEMA DE ULLAGE.

  • El sistema de eliminación de residuos o ullage, es el encargado de limpiar el aceite de los productos derivados de la contaminación por su oxidación y cracking. Si no se eliminarán supondría la obstrucción de filtros, el deterioro de bombas y válvulas, la reducción de la capacidad de intercambio y la disminución del punto de inflamación.  

    El sistema de ullage funciona extrayendo un 2% del caudal total de aceite, este aceite lo calienta hasta que se evapora separando así de compuestos con punto de ebullición más alto, después de esto es enfriado para volverlo otra vez líquido, consiguiendo con ello separarlo de los productos con temperaturas más bajas de licuefacción.

    Figura 4. Sistema de ullage.

  • 3. SISTEMA ANTI-CONGELACION.

  • Su función es la de proporcionar calor al sistema HTF para evitar que llegue a su temperatura de congelación, este sistema también puede ser usado para adicionar calor al sistema, aunque no sea específicamente para evitar la congelación, puede realizar un calientamiento extra del HTF para generar más energía de la que se corresponde a la radiación que se está captando, también puede calentar el aceite sin radiación para general energía con combustible fósil, gas natural.

    Para evitar un uso indebido del gas natural, la cantidad máxima que se puede consumir está limitada al 12-15%.  

    La presión de descarga de las bombas tiene que ser un poco superior a la presión de las bombas principales de HTF. 

    Traceado consiste en un sistema de calentamiento de las tuberías para evitar que aumente la viscosidad de los aceites y que se puedan solidificar, el traceado se puede hacer por resistencias eléctricas o por tuberías encamisadas calentadas por vapor, pero el traceado eléctrico suele ser el más usado por las siguientes características:

    1)    Es fácilmente controlable la temperatura del producto.

    2)    Todos los circuitos de calefacción pueden ser dirigidos de modo centralizado.

    3)    Existe un control continuo, y los gastos de operación son muy bajos.

    4)    No hay partes sujetas a rozamiento y se necesita muy poco mantenimiento.

    5)    Los cables para calefacción se colocan fácilmente.

  • 4. SISTEMA DE NITROGENO.

  • Para evitar la degradación del aceite por oxidación y cracking en los tanques, estos son presurizados con nitrogeno con una presión superior a la de vapor unos 11 bars., de presión relativa.

    Los tanques inertizados con nitrogeno son:

    1)    Todos los tanques del sistema de ullage, excepto el de evaporación flash.

    2)    El tanque de expansión.

    3)    El tanque de rebose.

    Figura 5. Sistema de nitrógeno.

  • 5. TANQUES DE EXPANSION.

  • Es el encargado de absorber las diferencias de volumen cuando el fluido se calienta, se encuentra situado en el punto más alto de la planta. Se debe vigilar el venteo ya que es muy importante al salir el vapor de agua por ahí, el tanque debe estar intertizado por nitrógeno. Esta asociado al tanque de rebose  y a la bomba de recirculación desde los tanques de revose.  

  • 6. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE SALES (TES).

  • Es el encargado de almacenar la energía térmica para ser usada en las horas de baja o nula radiación solar. Se utilizan sales fundidas porque para almacenar la misma energía con aceite térmico los tanques serían mucho más grandes.

    Existen dos tanque, el frío con una temperatura mínima de 292 ºC para evitar la solidificación de las sales y el caliente a 386 ºC calentado con el HTF proveniente del campo solar.

    Las combinación de sales más usada es la compuesta en un 60% de nitrato sódico y un 40 % de nitrato potásico, en las sales no existe un cambio de fase a las temperaturas de trabajo, tienen un alto coeficiente de transferencia térmica, entre un 0,6-1,2 MW/m2, y una alta capacidad de almacenamiento térmico, su punto de fusión está comprendido entre los 220- 250 ºC , por lo que necesitan de un traceado eléctrico.

            6.1 Características del sistema de almacenamiento de sales en una planta de unos 50 MW.

    1)    Esta diseñado para almacenar 1010 MWh.

    2)    Se necesitan unas 28800 toneladas de sales.

    3)    La carga térmica se lleva a cabo en 7,7 horas con un intercambio térmico HTF-sales de 131 MW.

    4)    La descarga del almacenamiento para vaciar el tanque caliente en 8,5 horas con un intercambio térmico de 119 MW.

    5)    Se bombea un caudal de sales del tanque frío al caliente de 935 kg/s aproximadamente. Y de descarga del caliente de 847 kg/s. Pasando el HTF de 287 ºC a 379 ºC .

    6)    Los intercambiadores, válvulas y tuberías disponen de traceado eléctrico para evitar la congelación de las sales.

    7)    Los tanques disponen de resistencias eléctricas en la zona central y en el suelo.

    8)    En caso de parada larga hay un sistema de recirculación de sales en el tanque frío para evitar su estratificación.

    9)    Los tanques están inertizados con nitrógeno para evitar oxigeno en contacto con el HTF en caso de fuga.

    10)    El depósito de drenajes, recoge los drenajes de las tuberías e       intercambiadores y los devuelve al tanque frío.

    Figura 6. Esquema del sistema de almacenamiento de sales.

    6.2    Elementos que forman el sistema.

    1) Almacenamiento de sales frías.

    - Tanque de almacenamiento de sales frías.

    - Calentadores eléctricos sumergidos en el tanque.

    - Bombas de almacenamiento de sales frías con motores eléctricos y variadores de velocidad.

    2) Intercambiadores de calor para sales fundidas, el tren de intercambio esta dispuesto en serie, en sentido desde el tanque frío al caliente, calentando las sales, el HTF circula por los tubos, mientras que las sales fundidas circulan por la caracasa, las tuberías llevan traceado eléctrico para evitar la congelación de las sales.

    Figura 7. Intercambiadores de calor.

    3) Almacenamiento de sales calientes.

    - Tanque de almacenamiento de sales calientes.

    - Calentadores eléctricos sumergidos en el tanque.

    - Bombas de almacenamiento de sales calientes con motores eléctricos y variadores de velocidad.

    4) Sistema de drenajes.

    - Recipiente de drenaje, para vaciar las tuberías y los intercambiadores, es de unos 30 m3 , situado a 2 metros por debajo del nivel del suelo, su función es recoger los drenajes de las tuberías y de los intercambiadores, posee traceado para evitar que solidifiquen.

    - Bomba de drenaje para devolver las sales al tanque de sales frías.

    - Posee un sistema de detección de fugas y condensados de HTF. Lo detecta, separa el HTF del circuito de sales e identifica el punto exacto de la fuga.  

  • 7. CALDERA AUXILIAR.

  • Es la encargada de mantener la temperatura del aceite en los valores correctos para que el sistema siga funcionando cuando por cualquier circunstancia los captadores no suministran suficiente energía. Se suele alimentar de gas natural.

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