Trabajar bajo presión

Las válvulas de alta presión funcionan a pleno rendimiento en condiciones de presión elevada. En entornos con presión elevada se precisan sus especiales características de resistencia y flexibilidad.

La presión puede aumentar rápidamente en los procesos industriales de sectores como los del petróleo, el gas, la ingeniería de procesos o los productos químicos o farmacéuticos. Las válvulas de alta presión permiten resolver este problema. También contribuyen a la transición energética: cuando cae la producción de energía solar o eólica se necesita una fuente de energía alternativa, como la que aporta una central de ciclo combinado, para complementar el suministro eléctrico. Para suplir la energía necesaria durante los valles en la curva de producción entran en juego las válvulas de alta presión.

La central de ciclo combinado de Prai produce alrededor del siete por ciento de toda la electricidad de Malasia.

La flexibilidad es una cualidad esencial para las centrales de ciclo combinado. “Dada su eficiencia y rápida capacidad de reacción ante fluctuaciones en la carga, están especialmente indicadas para aplicaciones de generación de energía en las que cada vez es mayor el porcentaje de energías renovables”, explica Axel Mücher, propietario y gerente de Schroeder Valves. En este sentido, al tratarse de generadores de energía que no dependen de las condiciones climáticas, pueden compensar las fluctuaciones de carga en la red eléctrica provocadas por las condiciones climatológicas y de viento cambiantes.

“Las válvulas de alimentación de calderas son uno de los componentes esenciales de estas centrales de ciclo combinado”, señala Axel Mücher. Proporcionan el agua al circuito de vapor de la central y la elevan a una presión de entre 200 y 250 bares antes de que se evapore. Al funcionar frecuentemente en régimen de carga parcial debido a las fuertes fluctuaciones en la carga inherentes al sistema, “las válvulas de caudal mínimo soportan condiciones muy exigentes. El régimen de carga parcial implica una descarga constante de fluidos bombeados a través de la derivación para, de este modo, mantener la bomba dentro de valores estables de funcionamiento y reducir la presión de bombeo de 200 o 250 bares hasta valores cercanos a la presión ambiente”, explica Mücher.

Schroeder Valves diseña válvulas especialmente indicadas para ofrecer una larga vida útil en estas condiciones de desgaste intensivo.

Las válvulas de alta presión también contribuirán al éxito de la transición de energía.

Son muchas las ventajas de las centrales de ciclo combinado, para empezar, en el plano económico. Debido al precio relativamente bajo del gas natural, estas centrales son una opción muy interesante para satisfacer la creciente demanda energética de economías industriales emergentes. Según afirma Mücher, “las instalaciones de ciclo combinado proliferan en todo el mundo”.

La rápida industrialización de esta pujante economía emergente está afectando a la demanda eléctrica, que aumenta alrededor del 4% de media cada año. Por ejemplo, Malasia está invirtiendo en la construcción de nuevas y eficientes centrales eléctricas para atender las necesidades energéticas de su población de 31 millones de habitantes y de un tejido industrial en constante crecimiento.

La central de ciclo combinado de Prai se encuentra en la localidad de Seberang Perai, en la región de Penang. Tiene una capacidad de alrededor de 1 gigavatio y una eficiencia superior al 60%. Según su operador, es una de las centrales alimentadas con gas más potentes y eficientes del Sudeste Asiático. Produce alrededor del 7% de la electricidad que se consume en Malasia. La central la explota la empresa Tenaga Northern (TNBP), subsidiaria de la compañía eléctrica Tenaga Nasional Berhad.

La central eléctrica de turbinas de clase H de 50 Hz, de Siemens, consta de dos grupos de generación, cada uno con su propia turbina de gas con la tecnología más moderna, un generador refrigerado por agua y una turbina de vapor con sus respectivos sistemas auxiliares. La planta dispone de dos unidades, cada una con tres bombas centrífugas del fabricante coreano de bombas Hyosung Goodspring. Estas bombas se protegen con seis válvulas de alta presión de Schroeder Valves. Según afirma el propietario de Schroeder Valves, Axel Mücher, las válvulas están diseñadas para soportar las presiones más elevadas y proteger las bombas de esta central malaya de los daños que podrían sufrir si no se mantuviese el caudal mínimo. El diseño de la válvula automática de recirculación garantiza que la amplia fluctuación de las cargas y el funcionamiento prolongado en condiciones de carga parcial no repercutan en las bombas y las instalaciones. Ello se consigue mediante un sistema especial de control de caudal mínimo totalmente automático que garantiza una correspondencia del caudal.

La Autoridad Estatal de Generación de Electricidad de Tailandia ha encargado la construcción de una central de ciclo combinado. Esta planta, que se encuentra a unos 40 km al sur de Bangkok y tendrá una capacidad total instalada de 1,2 gigavatios, suministrará electricidad a un millón y medio de hogares tailandeses a partir de 2019. Siemens está construyendo esta central con una configuración monoeje. “La central se ha diseñado de manera que los principales componentes (la turbina de gas, el generador y la turbina de vapor) estén conectados entre sí a través de un único eje”, explica Siemens. Los principales atributos de esta central serán su alta eficiencia y breve plazo de puesta en marcha, así como su versatilidad para adaptarse a cambios rápidos en la carga. Dado que Tailandia es muy dependiente de las importaciones de GLP, las centrales modernas y eficientes de ciclo combinado están adquiriendo gran relevancia.

Una turbina de gas Siemens se monta en la fábrica de Berlín. Foto: www.siemens.com/presse

Las centrales de ciclo combinado se están popularizando en todo el mundo. Siemens ha recibido un encargo de Panamá para construir seis turbinas de gas SGT-800. Las turbinas de gas industriales, junto con una turbina de vapor integrada en una central de ciclo combinado, producirán unos 440 megavatios de electricidad que abastecerán a aproximadamente 1,9 millones de residentes en Panamá.

En Lawrence Country, Pennsylvania, Kiewit Power Constructors Co está construyendo una central de ciclo combinado de gas natural con una capacidad de 1 gigavatio. Esta central norteamericana se caracteriza por su agilidad y flexibilidad y se espera que facilite la integración de las energías renovables. Su inauguración está prevista para principios de 2020. Esta central suministrará electricidad a aproximadamente un millón de hogares.

Una central ya existente en Marcos Paz, en la provincia argentina de Buenos Aires, se transformará en una planta de ciclo combinado en el marco de un proyecto denominado Genelba Plus. La conversión aumentará la capacidad de la central de 168 a unos 364 megavatios. Está previsto que comience a funcionar a mediados de 2019. En 2021 comenzará a generar electricidad una nueva central de ciclo combinado de la República de Tartaristán, en la Federación Rusa. Se prevé que tenga una capacidad de 495 megavatios.

La compañía escocesa de energía SSE Plc. y Siemens han anunciado que están trabajando en la construcción de la central de ciclo combinado Keadby 2 en Lincolnshire, Reino Unido. Siemens entregará la central eléctrica lista para su puesta en marcha. SSE ha invertido el equivalente a 400 millones de euros en la construcción de la nueva central, que tendrá una capacidad de 840 megavatios y una eficiencia del 63%. La entrada en explotación comercial de Keadby 2 está prevista para 2022, cuando se cierren las centrales de carbón.

La nueva central de ciclo combinado de Lincolnshire contribuye al objetivo de SSE de reforzar su presencia en el segmento de la energía eólica terrestre y marina. “Las centrales de ciclo combinado abastecerán de forma flexible a la red eléctrica. Suponen un importante espaldarazo al desarrollo de las energías renovables en el Reino Unido y a su objetivo de reducción de las emisiones de dióxido de carbono”, puntualiza Martin Pibworth, director de venta mayorista de SSE.

Las energías renovables también son importantes para la revolución energética en Alemania. El Gobierno pretende aumentar el porcentaje de renovables en la producción total de energía en un 80% de aquí a 2050. Actualmente su participación es del 20%. “Para llevar a buen puerto esta revolución energética es necesario reestructurar el sector energético en su conjunto”, afirma el Instituto de Ingeniería de Propulsión del Centro Aeroespacial Alemán (DLR). Asimismo, Alemania, como gran centro industrial que es, precisa un suministro seguro de energía; su economía depende de ello. “A la vista del fuerte avance de energías renovables como la solar y la eólica, que son fluctuantes por naturaleza, se precisan diseños avanzados de generación de energía convencional que garanticen el suministro”. El instituto aboga por las centrales de ciclo combinado, que podrían sustituir a los combustibles fósiles como apoyo a la transición energética. Con más del 60% de eficiencia térmica, es ya la tecnología de generación de energía convencional más eficiente del mercado.

La electricidad producida en las modernas centrales de ciclo combinado genera tan solo la mitad de dióxido de carbono que la procedente de las centrales alimentadas con carbón más actualizadas. Los plazos de construcción son también más breves y los costes de construcción, mucho más bajos. Las centrales de ciclo combinado producen electricidad y calor. Los fabricantes de válvulas de alta presión se suman a estas tecnologías de generación de energía de nueva generación.

No obstante, las centrales de ciclo combinado no funcionan aún a pleno rendimiento. El precio de la electricidad puede representar un problema. Si el precio de mercado es superior al coste de producción de la energía, la central puede obtener beneficios. “De lo contrario, la central se mantiene cerrada, en modo de espera, dado que, de lo contrario, tendríamos que pagar más”, explica Martin Buschmeier, director de la central de gas de Trianel, en Hamm. Se estima que el funcionamiento económicamente rentable de las centrales de gas —teniendo en cuenta su coste total— no es aún posible en las condiciones actuales del mercado de la electricidad.

Esta situación no le quita el sueño a los fabricantes y distribuidores de válvulas de alta presión, ya que estos componentes sirven a infinidad de propósitos. AS-Schneider diseña válvulas de alta presión para tecnologías de medición y control empleadas en muy diversos sectores, como el químico y el petroquímico o el de las industrias del petróleo y del gas natural. “Las presiones pueden alcanzar varios miles de psi (varios cientos de bares) y los medios de proceso puede ser agresivos y nocivos para las personas y el medio ambiente” explica la empresa. La mayoría de válvulas alcanzan sus límites rápidamente en estas condiciones operativas.

El concepto de válvula de alta presión se basa en un sistema estanqueidad de husillo de PTFE (empaquetadura). “Las válvulas de alta presión constan de un asiento metálico posterior que les aporta un aislamiento adicional de su entorno y reduce la carga de trabajo para la empaquetadura”, afirma AS-Schneider. Eso a su vez reduce el desgaste y evita que la válvula pueda llegar a reventar.

Según explica Göpfert AG, el diseño modular aporta muchas opciones de configuración para las válvulas de alta presión en lo que respecta a función, elección de materiales, tipo de conexión y área de aplicación. Además de las válvulas de cierre, tenemos válvulas de control y antirretorno, filtros, válvulas de montaje mural y válvulas con racores con anillo cortante o extremos para soldar, así como aquellas que incorporan un husillo roscado exterior. “Nuestras válvulas de alta presión pueden accionarse manualmente con los tradicionales volantes o bien pueden automatizarse mediante servomotores” señala la empresa.

La estanqueidad también es importante, destaca Bürkert. Según la empresa, la válvula precontrolada con servopistón y control previo de dos vías dispone de una junta radial adicional que ofrece un “excelente nivel de estanqueidad”. El diseño de alta presión soporta presiones de hasta 250 bares.

Schroeder Valves también fabrica válvulas de alta presión para los sectores de generación de energía fósil y nuclear, así como para los procesos de decapado en la fabricación del acero. La gama de válvulas de alta presión de la empresa comienza con la calificación de presión PN250, o clase 1500 libras. En las aplicaciones clásicas (válvula de caudal mínimo) esto corresponde a presiones de trabajo de unos 140 bares, llegando a alcanzar hasta 400 bares, aproximadamente. Existen incluso aplicaciones en las que las válvulas de alta presión soportan presiones de varios miles de bares. Los materiales con los que se suelen fabricar para las áreas de aplicación de Schroeder Valves son aceros martensíticos endurecidos.

“En cuanto a las válvulas de caudal mínimo, la aplicación clásica es en las zonas de alimentación de agua de las calderas de las centrales nucleares y accionadas con combustibles fósiles, en las que, en aras de la eficiencia, el agua se lleva a una presión elevada antes de convertirse en vapor aplicando calor y se descarga a través de una turbina”, explica Axel Mücher. Otros posibles campos de aplicación son el decapado de metales laminados en la fabricación de acero, en el que se utiliza un chorro de agua a alta presión para eliminar la cascarilla del acero, o la inyección de agua a alta presión en instalaciones de extracción de petróleo o gas para aumentar la presión en el interior del pozo y, en consecuencia, el caudal.

Las situaciones especiales requieren medidas especiales: las altas presiones ejercen una fuerza muy elevada contra las paredes de las piezas presurizadas de la válvula, que deben tener un grosor especial. “La cantidad de material empleado y la reducción del peso son, por tanto, cuestiones puramente económicas", señala Mücher. En consecuencia, en lo que respecta al diseño geométrico, tratamos de que la estructura que alberga el volumen presurizado aporte la mayor eficiencia y ahorro de materiales posible. Recordemos, además, que las válvulas deben integrarse en conductos, donde su peso puede provocar fuerzas operativas elevadas que deben soportar las estructuras de apoyo oportunas. ”Los diseños eficientes en el uso de materiales también benefician al usuario”, añade Mücher.

Los usuarios tienen especial interés en la calidad, en el coste y en criterios como la reducción del peso. Los fabricantes de válvulas de alta presión que no desean sufrir presión ellos mismos deben tener esto en cuenta. Entonces, sus empresas podrán funcionar a todo gas. Las innovaciones en el campo de las válvulas y productos asociados se presentarán en la feria internacional más importante de válvulas industriales, Valve World Expo, que se celebrará en el recinto ferial de Düsseldorf del 1 al 3 de diciembre de 2020.