Una HRSG no opera necesariamente durante toda su vida en las condiciones nominales para las que se definió su punto de diseño. Cuando cambia la carga de la turbina de gas, también cambia el perfil térmico de los gases y la relación entre la energía disponible y el caudal de agua que atraviesa el economizador.
Es en esas condiciones alejadas del punto nominal donde puede aparecer un fenómeno que conviene comprobar desde la fase de diseño: el steaming del economizador.
El problema no es únicamente que una parte del agua comience a evaporarse antes de alcanzar el evaporador. Esa vaporización puede alterar la distribución hidráulica dentro de los tubos y generar condiciones de operación que afecten a la estabilidad y, en casos severos, a la integridad del haz.
Por eso, analizar una HRSG únicamente en su punto nominal puede no ser suficiente. El comportamiento a carga parcial también forma parte del diseño.

En condiciones normales, el economizador recupera calor de los gases para elevar la temperatura del agua de alimentación antes de que esta entre en la sección de evaporación.

El agua debe mantenerse en estado líquido subenfriado a lo largo de todo el economizador.

Se denomina steaming al fenómeno por el cual esa agua comienza a vaporizarse parcialmente dentro de los propios tubos del economizador, en una zona en la que el diseño no contempla todavía la formación de vapor.

La aparición de esta fase vapor modifica el comportamiento hidráulico del circuito. Por tanto, no se trata simplemente de recuperar más calor del previsto, sino de entrar en una condición diferente de aquella para la que ha sido concebida esa sección de la HRSG.

El approach point expresa el margen existente entre la temperatura del agua a la salida del economizador y la temperatura de saturación correspondiente.

Mientras existe ese margen, el agua abandona el economizador todavía en estado líquido subenfriado.

Cuando el margen disminuye hasta desaparecer, el agua alcanza las condiciones en las que puede comenzar a vaporizarse dentro del economizador.

Por eso, el approach point no debe entenderse únicamente como un parámetro térmico del punto nominal. Su evolución cuando cambian las condiciones de operación es determinante para comprobar si el economizador seguirá trabajando dentro del régimen previsto.

La carga parcial modifica el equilibrio térmico con el que trabaja la HRSG.

Cuando la turbina de gas opera fuera de su punto nominal, cambia el perfil de temperatura de los gases. En determinadas condiciones, el economizador puede recibir más calor en relación con el caudal de agua que circula a través de sus tubos.

El resultado es una reducción del margen respecto a la temperatura de saturación.

Si ese margen desaparece, comienza la vaporización parcial del agua dentro del economizador.

Este comportamiento explica por qué una HRSG que funciona correctamente en las condiciones nominales puede presentar problemas cuando opera en otros puntos de carga.

La cuestión crítica, por tanto, no es comprobar únicamente que el economizador funciona correctamente al 100 % de carga, sino verificar que continúa manteniendo el agua en estado líquido en las diferentes condiciones de operación previstas para la planta.

La formación de vapor dentro del economizador introduce un cambio en el comportamiento del flujo.

Cuando aparecen burbujas de vapor, la distribución deja de ser uniforme entre los distintos tubos. Algunos pueden recibir un caudal mayor mientras que otros quedan con un caudal reducido.

Esta desigualdad es el origen del problema.

Los tubos que reciben menos caudal pierden capacidad para evacuar el calor que están absorbiendo y pueden experimentar sobrecalentamientos localizados.

De este modo, un fenómeno que comienza como una desviación térmica puede convertirse en un problema hidráulico y mecánico.

Las inestabilidades asociadas al steaming pueden manifestarse de distintas formas dentro del haz.

• Distribución desigual del caudal entre tubos.
• Sobrecalentamientos locales en los tubos con menor circulación.
• Vibraciones del haz tubular.
• Golpes de ariete asociados al colapso de burbujas de vapor.
• Erosión interna.
• Fatiga de los tubos.
• En situaciones graves, rotura del tubo.

La importancia del fenómeno reside precisamente en esta cadena de efectos.

El economizador puede haber sido correctamente dimensionado para transferir la carga térmica prevista y, aun así, presentar un comportamiento inadecuado si las condiciones reales de operación llevan el agua hasta la evaporación dentro del propio haz.

La prevención empieza antes de que la HRSG entre en servicio.

Durante el diseño debe comprobarse el comportamiento del economizador no solo en las condiciones nominales, sino también en las cargas parciales relevantes para la operación prevista.

El objetivo es verificar que el agua mantiene suficiente margen respecto a la saturación y que no comienza a evaporarse dentro del economizador en ninguno de los puntos de operación considerados.

Esta comprobación adquiere especial importancia cuando el perfil de funcionamiento de la planta incluye variaciones de carga.

Diseñar únicamente alrededor del punto nominal puede dejar sin analizar precisamente las condiciones en las que el equilibrio entre calor disponible y caudal de agua resulta más desfavorable.

El steaming ilustra una cuestión más amplia en el diseño de equipos de recuperación de calor: alcanzar correctamente las prestaciones nominales no garantiza por sí solo un comportamiento estable en todo el rango operativo.

En una HRSG, la relación entre temperatura de los gases, caudal de agua y condiciones de saturación cambia cuando cambia la carga.

Por eso, el análisis del economizador debe incorporar las condiciones reales bajo las que tendrá que trabajar la planta.

El approach point deja así de ser únicamente un dato de diseño para convertirse en un margen que debe comprobarse frente a los distintos escenarios de operación.

Cuando se está diseñando una HRSG o revisando el comportamiento de una instalación existente, el análisis debe centrarse en la relación entre las condiciones térmicas y el caudal de agua que atraviesa el economizador.

En particular, conviene revisar:

• Las condiciones nominales de diseño del economizador.
• Los puntos de carga parcial previstos.
• El perfil de temperatura de los gases en esas condiciones.
• El caudal de agua que circula por el economizador.
• La temperatura de salida del agua.
• El margen respecto a la temperatura de saturación.
• La posible aparición de vaporización dentro de los tubos.
• La estabilidad de la distribución de caudal entre los diferentes circuitos.

El objetivo es comprobar que el economizador continúa trabajando como economizador en todo el rango operativo previsto.

El steaming no debe analizarse como un fenómeno aislado.

Su aparición indica que, en una determinada condición de operación, el balance térmico del economizador ha dejado de mantener el agua dentro del régimen líquido subenfriado previsto.

A partir de ese momento pueden aparecer inestabilidades hidráulicas, sobrecalentamientos locales y solicitaciones mecánicas que afectan a la fiabilidad del haz tubular.

Por ello, la mejor estrategia no consiste en reaccionar cuando aparecen vibraciones, golpes de ariete o daños en los tubos, sino en comprobar durante la ingeniería que esas condiciones no llegarán a producirse.

Una HRSG correctamente definida debe responder no solo al punto de diseño, sino también a las condiciones de carga parcial bajo las que tendrá que operar durante su vida útil.

En AITESA, el diseño de una HRSG parte de las condiciones reales de los gases, la producción de vapor requerida y el perfil de operación previsto para la instalación.

En el caso del economizador, esto implica comprobar que el comportamiento térmico se mantiene dentro de las condiciones previstas también cuando cambia la carga, evitando que desaparezca el margen necesario respecto a la saturación y que se produzca vaporización dentro del haz.

Cuando una instalación presenta inestabilidades a carga parcial o se está evaluando el diseño, modificación o revamping de una HRSG, el análisis debe realizarse sobre las condiciones concretas de operación del equipo.

Puede trasladarse al equipo técnico de AITESA el comportamiento observado, las condiciones de operación y la información disponible sobre la HRSG.

A partir de estos datos iniciales se puede analizar el caso y valorar qué aspectos del economizador y del régimen de operación conviene revisar.