Substituição de queimadores de dutos em usinas de ciclo combinado

Muitas usinas de energia de ciclo combinado (CCPP) e usinas de cogeração ou de calor e energia combinados (CHP) utilizam sistemas de queima suplementares, ou queimadores de dutos, dentro das caldeiras do gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG). Os queimadores de dutos podem ser ativados sob demanda para aumentar de forma rápida e eficiente a saída de vapor do HRSG para o gerador de turbina a vapor para obter megawatts adicionais em CCPPs, em que a saída de megawatts pode ser sob demanda ou pré-planejada a partir do despacho aplicável do produtor para atender à demanda por eletricidade. Os queimadores de dutos também podem aumentar a produção de vapor para uso do cliente, proporcionando, em última análise, vendas mais altas para o produtor de CHP. 

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Em todo o mercado doméstico, muitos queimadores de dutos foram instalados em CCPPs e usinas de cogeração/CHPs originais construídas entre 1995 e 2005. As instalações de queimadores de dutos diminuíram nas CCPPs e usinas de cogeração/CHPs novas entre 2005 e 2015. Desde 2015, a construção de novas CCPPs e usinas de cogeração/CHP quase parou devido à economia e à recente pressão de órgãos governamentais para pesquisar e investir em tecnologias de combustíveis verdes. Como resultado, a infraestrutura das usinas de energia em todo o mercado doméstico está envelhecendo e precisa de atenção. 

Infelizmente, devido ao envelhecimento da infraestrutura de equipamentos existentes, muitos sistemas de queimadores de dutos em vigor atualmente atingiram ou estão se aproximando rapidamente do ciclo de vida útil projetado e apresentam uma série de problemas para o produtor, como

• Aumento dos custos de manutenção para reparar o equipamento continuamente
• Aumento dos custos operacionais com emissões mais altas ou impacto de chamas no HRSG
• Falha parcial dos queimadores, criando problemas de iluminação e confiabilidade
• Falha completa dos queimadores, resultando em problemas tão simples como queimadores que se tornaram não funcionais e tão complexos como queimadores que caíram no piso do HRSG
• Decadência contínua de equipamentos antigos a taxas exponenciais ao longo do tempo

Inspeções documentadas frequentes e monitoramento de supervisão de equipamentos antigos são vitais para entender a condição atual dos queimadores de dutos de uma instalação e saber quando o orçamento de custo de capital deve ser feito para reparos ou substituição. As inspeções podem ser realizadas com o equipamento em operação, mas é melhor que sejam feitas durante as interrupções, normalmente durante a primavera e o outono, e devem ser realizadas por uma empresa de combustão de boa reputação. Essas inspeções podem identificar problemas que podem afetar o equipamento existente, diagnosticar por que as falhas já ocorreram e determinar se a substituição é mais econômica do que a manutenção contínua. As inspeções podem ser concluídas em apenas um dia se forem coordenadas adequadamente para não atrasar a reinicialização da instalação.

A substituição dos sistemas de queimadores de dutos geralmente é mais fácil do que a maioria dos produtores imagina. Essa pode ser a melhor abordagem para preservar o ciclo de vida dos recursos de produção de energia porque a substituição interrompe o processo de envelhecimento e reinicia o relógio do produtor, eliminando uma das muitas preocupações da equipe de gerenciamento. Este estudo de caso de uma substituição de sistema de queimador de duto (Figura 1) realizada pela Zeeco ajuda os proprietários de instalações a entender o caminho do diagnóstico até a partida e demonstra os benefícios da eliminação de equipamentos antigos da infraestrutura de uma usina de energia.

A situação

Em 2022, uma grande concessionária de produção de energia elétrica no sudeste dos EUA entrou em contato com a Zeeco com preocupações sobre seu sistema de queimador de dutos existente. A Zeeco realizou uma inspeção de interrupção e registrou as descobertas, que incluíam:

• Estabilizadores de chama mal deformados
• Falha na luz piloto da chama principal de combustível do elemento do queimador
• Reconhecimento deficiente do scanner de chama
• Impacto da chama na seção do tubo HRSG a jusante

Os estabilizadores de chama deformados e distorcidos podem resultar da incapacidade de controlar o formato da chama devido ao fluxo insuficiente de gás de escape da turbina (TEG). Isso geralmente é causado por projetos antigos que sempre foram inadequados, mas desconhecidos até a introdução de tecnologias mais recentes. O simples processo de envelhecimento do equipamento de combustão submetido a anos de ciclos de ligar e desligar também desgasta os suportes de chama e os corpos de blefe. Nesse caso, ambos foram apontados como contribuintes para a deterioração do equipamento.

A incapacidade do piloto de acender as chamas principais de combustível pode resultar da flacidez dos elementos do queimador. Outras causas para essa falha são simplesmente a destruição do(s) dispositivo(s) de faísca que residem dentro do ambiente da fornalha do HRSG dia após dia em temperaturas extremas. O circuito elétrico geral dos sistemas de ignição de alta energia é facilmente interrompido pelo vapor de água do TEG e dos sistemas de conduítes abertos, que muitas vezes podem estar encharcados de águas pluviais. Nesse caso, a flacidez do elemento do queimador foi a principal causa da falha do piloto em acender o combustível principal. As pontas de ignição não estavam mais no caminho do combustível principal e nunca tiveram a chance de acender.

O reconhecimento deficiente da chama principal do combustível pelo monitor de chama também pode ser atribuído a vários problemas:

• Elementos do queimador com flacidez.
• Sujeira, detritos ou vapor de água revestindo a lente do scanner de chama.
• Movimento não intencional do sistema de montagem do detector de chamas devido às fortes vibrações normais do HRSG.
• Modelos mais antigos de scanners que usam algoritmos de reconhecimento de chama desatualizados que não conseguem discernir adequadamente chama versus ausência de chama.
  Os componentes eletrônicos não duram para sempre e podem facilmente causar um reconhecimento de chama deficiente.

Nesse caso, os scanners eram de tecnologia antiga e haviam se desgastado em vários estágios nas diversas elevações do queimador.

O impacto da chama na seção do tubo HRSG a jusante é o principal destruidor das caldeiras HRSG, custando milhões para reparar esses longos tubos de caldeira de liga leve. Chamas longas e preguiçosas criam o impacto da chama quando o sistema do queimador introduz o combustível bruto na fornalha do HRSG (sob controle total do sistema de gerenciamento do queimador [BMS]) e é aceso pelo dispositivo de ignição piloto. Quando a chama principal do combustível é acesa e reconhecida pelo scanner de chama, o sistema de controle distribuído (DCS) do HRSG permite que o combustível seja aumentado para atender à demanda de vapor de saída. 

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No entanto, como as pontas do queimador sofrem erosão com a pressão do combustível ao longo do tempo, ou os estabilizadores de chama se deformam devido à recirculação do fluxo de TEG e da chama do queimador, ou como os elementos do queimador cedem (Figura 2), o combustível pode fluir mais a jusante da ponta do queimador antes que ocorra a combustão real ou completa. Esses fatores podem permitir que as chamas cresçam mais até atingirem os tubos. Com o tempo, o impacto destruirá os tubos. Esse problema deve ser corrigido, ou a falha futura será iminente. Nesse caso, as chamas mais longas causadas pela erosão das pontas do queimador contribuíram para o impacto da chama.

O desafio

Esse projeto incluiu desafios comuns e específicos da situação. Especificamente, a parada pré-planejada foi programada para 18 dias na primavera e foi classificada como uma parada não importante, o que significa que nenhuma modificação na turbina de combustão ou na turbina a vapor foi planejada para ser concluída durante essa parada. As interrupções são geralmente planejadas com muita antecedência em muitos locais, o que torna muito importante entender a condição existente do equipamento do queimador do duto para que a substituição possa ser concluída sem interromper ou alterar as programações de interrupções pré-planejadas existentes.

O cliente explicou ainda que essa instalação era fundamental para a rede, pois a demanda por produção de vapor e produção de megawatts era da maior importância devido à enorme base de clientes. Perder o prazo da parada não era uma opção, e a unidade tinha de estar operacional no último dia da parada. A próxima interrupção planejada para esse local só ocorreria daqui a vários anos, o que acrescentou outra consideração importante ao equipamento e à instalação. Foi necessário um extenso planejamento turnkey para atender a esse desafio de tempo, e a comunicação constante com a instalação foi fundamental.

Geralmente, o projeto e a instalação devem se encaixar no valor de custo do orçamento de capital pré-aprovado da interrupção. Nesse caso, o cliente tinha um orçamento de capital aprovado cerca de dois anos antes da compra dos novos queimadores. No entanto, a inflação na economia e a pandemia do novo coronavírus fizeram com que o preço dos materiais se tornasse uma preocupação imprevista.

A sincronização da solicitação de cotação com as datas de interrupção da instalação foi fundamental para o sucesso. O projeto, a fabricação, a entrega e a instalação consomem, cada um, algumas semanas do cronograma geral para serem realizados com sucesso. Portanto, foi fundamental fazer o pedido do equipamento bem antes do cronograma de interrupção planejado. Mais uma vez, a compreensão da condição existente do equipamento do queimador de dutos permitiu que o proprietário da instalação planejasse a substituição adequadamente.

Processo do projeto

O projeto para o retrofit foi concluído por uma equipe altamente experiente que já realizou vários projetos bem-sucedidos de substituição de queimadores de dutos, além de projetos e fabricação de queimadores de dutos novos para uma extensa lista de fabricantes de equipamentos originais em todo o mundo. A manutenção de uma equipe de engenheiros e gerentes no projeto fortalece o relacionamento com a equipe do cliente e elimina as lacunas de informações em todo o projeto.

As compras de materiais foram realizadas por pessoal treinado extensivamente para encontrar o melhor preço e entrega. O site Zeeco utiliza uma extensa lista de fabricantes aprovados monitorada pelo programa da Organização Internacional de Padronização (ISO), o que dá um enorme poder de compra aos compradores envolvidos e elimina a necessidade de preocupação com fornecedores novos ou não testados.

A fabricação do equipamento em uma das sete instalações globais de fabricação da Zeecofoi monitorada pela equipe de Garantia de Qualidade/Controle de Qualidade (QA/QC) e pela equipe de engenharia de execução do projeto. A entrega foi planejada e realizada por uma equipe de logística de especialistas em transporte. Antes da fase de execução do projeto, o site Zeeco criou um esboço e um plano altamente específicos, tarefa por tarefa, para todos os trabalhos mecânicos e elétricos que deveriam ser realizados no local. O plano implementado foi seguido por equipes de construção experientes.

Descoberta

Quase todos os projetos de instalação turnkey produzem alguma descoberta que identifica problemas desconhecidos antes do início da demolição do equipamento existente. No caso desse projeto, a descoberta foi uma corrosão interna grave nas paredes da carcaça de aço carbono do HRSG (Figura 3). Esse tipo de descoberta é cada vez mais comum em equipamentos HRSG e queimadores de dutos mais antigos, especificamente quando as unidades HRSG são originalmente instaladas perto de ambientes de minas ou em locais onde temperaturas extremas podem fazer com que a carcaça exposta, o isolamento da parede do HRSG e o sistema de placa de revestimento flutuante interno do HRSG trabalhem extraordinariamente.

Outras descobertas comuns para esses tipos de HRSGs e queimadores de dutos são a corrosão interna da tubulação de combustível, a redução da espessura da parede da tubulação de pressão e a corrosão ou destruição da sede da válvula. Esses problemas se desenvolvem com o tempo devido às flutuações de temperatura do combustível em toda a infraestrutura de tubulação de combustível da usina, causadas pelas mudanças climáticas e condições sazonais. A tubulação externa já estava programada para ser substituída para este projeto por novas tubulações, conexões e válvulas livres de corrosão. 

A solução

Esse projeto de substituição de queimador de duto pronto para uso foi planejado para ter em mente esses tipos comuns de descoberta. Cada descoberta potencial é discutida com o cliente antes de finalizar a compra do equipamento e a instalação turnkey. A redução das descobertas antecipadamente por meio de um planejamento detalhado cria um cronograma de desempenho que é o mais preciso possível para cenários do mundo real e ajuda a eliminar surpresas.

Durante uma interrupção planejada, outras empreiteiras costumam estar no local realizando trabalhos em outros equipamentos, como torres de resfriamento ou tambores de caldeira e válvulas de alívio. O local pode ficar congestionado, e os reboques de ferramentas e os escritórios de construção podem reduzir as zonas de preparação de materiais. O uso de uma empresa de instalação respeitável e a garantia de participação diária nas reuniões de interrupção oferecem a todos os empreiteiros a capacidade de expressar e compartilhar preocupações e planos de antecipação diariamente. A coordenação entre as empreiteiras pode evitar problemas como a concorrência por espaços para guindastes ou elevadores aéreos e folgas para exames radiográficos de exames não destrutivos, bem como congestionamentos nas estradas devido à entrega de materiais e consumíveis. Um projeto bem comunicado é um projeto mais seguro, eliminando acidentes e podendo salvar vidas.

Resultados e benefícios

Após a inicialização desse projeto e a desmobilização da equipe de instalação, os benefícios para esse cliente ficaram muito claros. Cada um dos pontos a seguir atendeu às necessidades do cliente e trouxe de volta ao sistema de queimadores de dutos a vida útil necessária por muitos anos.

Sucesso imediato

A substituição do queimador do duto foi concluída em 16 dias, em vez dos 18 previstos, o que permitiu a reignição bem-sucedida da unidade no último dia da paralisação.

Custo

Nesse caso, o poder de compra global da Zeecopermitiu que a equipe obtivesse materiais e economizasse o valor do orçamento de capital original criado muito antes da compra do equipamento.

Novos equipamentos

O cliente agora tem um novo sistema de queimador de dutos sem nenhum dos problemas anteriores. A economia financeira decorrente da redução dos custos de manutenção e operação resultará em economia ao longo do tempo.

Equipamento correto

O projeto e a instalação estavam 100% em conformidade com a especificação, o que significa que o cliente recebeu tudo o que solicitou em uma interrupção e com um custo orçamentário.

Liberação de calor

O novo equipamento fornece a quantidade adequada de liberação de calor para a caldeira HRSG para a produção ideal de vapor.

Fabricação

Zeeco utilizou uma das sete instalações internas de fabricação global para concluir o equipamento dentro do prazo e em total conformidade com os requisitos de QA/QC internos da empresa e do cliente.

Entrega

O fato de saber que o equipamento adquirido seria entregue no local utilizando o sistema de logística do fornecedor economizou muitas horas de supervisão e preocupação da gerência do cliente.

Instalação

Essa instalação pronta para uso utilizou uma das muitas equipes de instalação mecânica e elétrica que a Zeeco utiliza e gerencia. Uma instalação completa e pronta para uso também poupou ao cliente muitas horas de supervisão e preocupação com o gerenciamento.

Desempenho dentro do prazo

A conclusão do projeto ocorreu antes do previsto e com o custo orçado, beneficiando o produtor e garantindo que a interrupção planejada estivesse correta e não fosse necessária nenhuma extensão.

Zero incidentes ou acidentes de segurança

Todos foram para casa ao final de cada dia sem ferimentos. A longo prazo, os prêmios de seguro permanecem baixos, as métricas de rastreamento de segurança das instalações permanecem impecáveis e o histórico de segurança da empresa permanece sem mácula. 

Acesso aprimorado

Áreas de acesso menos congestionadas na frente do queimador permitem melhor manutenção e operações, além de criar ambientes de trabalho mais seguros.

Treinamento

Fazer com que a equipe de operações seja treinada no novo equipamento do fornecedor é vital para obter operações perfeitas e reduzir viagens desnecessárias.

Emissões

A nova tecnologia de equipamentos reduz muito as emissões em muitos casos e permite que as empresas operadoras permaneçam dentro de suas tolerâncias de emissões.

Proteção de equipamentos

O formato da chama bem ancorado e os comprimentos da chama que se encaixam bem dentro do forno HRSG eliminam os danos às seções de tubo a jusante, às paredes do revestimento, aos tetos e ao piso.

Conformidade com a National Fire Protection Association (NFPA)

A NFPA 85, o órgão regulador dos queimadores de dutos, e o Capítulo 8 especificamente, são comumente atualizados. O fato de ter um equipamento novo significa que as salvaguardas que o regem já estão em vigor.

Garantia

Os novos equipamentos oferecem garantias limitadas aos proprietários das instalações. 

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