Estudio CFD Calderas

RESUMEN

Con el propósito de evaluar los patrones de combustión y perfiles de temperatura de las calderas B2404 y B2405 de la Central Norte de la GRB, como mecanismo para identificar las causas por daños de abolladura y rotura de los tubos de pantalla en la zona de radiación, se realizó un estudio de modelado y simulación mediante dinámica computacional de fluidos (CFD).

Los patrones de combustión encontrados con los quemadores actuales no son satisfactorios para el diseño de las calderas, generando temperaturas superiores a 1200°F, no permisibles para el diseño del proceso.

Debido a los resultados encontrados con los quemadores actuales, se realizaron dos simulaciones modificando la geometría de los quemadores, buscando optimizar los patrones de combustión. Estas simulaciones muestran que es posible mejorar los patrones de combustión y reducir la temperatura en la pared de pantalla con alta posibilidad de evitar daños en los tubos de proceso.

La distancia entre los quemadores y la pared pantalla es muy corta y la longitud de las llamas, independiente del quemador que se instale, van a estar siempre muy cerca de la pared

1. INTRODUCCIÓN

Las calderas B2404 y B2405 de la Central Norte de la GRB, tienen como función la generación de vapor para suplir a los procesos de refinación, en cuyas condiciones de operación normal cada caldera procesa 270 KLB/H de flujo de agua y consume 360 KPCE/H de gas combustible.

Debido a la necesidad de identificar las causas de rotura por alta temperatura en los tubos de pantalla en la zona de radiación, se realizó un estudio mediante dinámica computacional de fluidos (CFD) de la caldera B2404. El software empleado fue ANSYS FLUENT 14.5.

El estudio básicamente fue realizado con el propósito de evaluar los patrones fluido-dinámicos de combustión y los perfiles de temperatura en la pared de pantalla.

En este informe se presentan los resultados de tres casos básicos evaluados: 1) Simulación del sistema con quemadores actuales conservando 6 lanzas de entradas de gas o “spuds”, 2) Sistema con adición de dos “spuds” más con el fin de reducir velocidad en los gases de combustión y longitud de llama, 3) Sistema con quemador de flujo distribuido tipo GLSF – diseño de la empresa ZEECO, con el fin de lograr mayor dispersión de los gases y lograr disminuir la temperatura de pared en la pantalla.

2. OBJETIVO

Evaluar los patrones fluido-dinámicos de combustión y los perfiles de temperatura en la pared de pantalla en calderas B2404-B2405 de la GRB

2.1. OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Identificar las causas de abolladura y rotura de la tubería de las pared de pantalla en la zona de radiación de las calderas B2404-B2405 de la GRB, mediante modelado y simulación en fluido - dinámica computacional, CFD del proceso de combustión actual.

• Evaluar posibles ajustes que permitan mejorar los patrones de flujo de llama y perfiles de temperatura en la combustión de las calderas B2404-B2405, que conlleve a asegurar la confiabilidad de las mismas.

3. ALCANCE

• Modelado y simulación en CFD del proceso de combustión de la caldera B2404 con el sistemas de quemadores actuales y conservando las especificaciones del diseño actual. Esta caldera es representativa en similitud con la caldera B2405.

• Evaluar mediante simulación CFD escenarios factibles de ajuste de los patrones de combustión para mejorar la confiabilidad operacional de las calderas B2404-B2405.

NOTA:

El alcance está definido por la necesidad de conocer las causas de rotura de los tubos de la pared de pantalla en las calderas B-2404 y B-2405 y generar recomendaciones de ingeniería de proceso para su solución.

4. METODOLOGÍA

Para modelado y simulación de las calderas B-2404 y B-2405, se siguió la siguiente metodología:

1. Recopilación y análisis de información técnica. Los planos existentes son bastante antiguos y no muy claros, por lo que algunas mediciones hubo que hacer levantamiento en campo. Las condiciones operacionales normales fueron suministradas por Ingeniería de Proceso de la GRB.

2. Detalle de especificaciones técnicas de los quemadores actuales. La geometría detallada de los quemadores no fue factible de obtener y por tanto se tomaron medidas de campo para construcción aproximada del diseño y posterior representación en el modelo CFD.

3. Aplicación de la dinámica computacional de fluidos (CFD). Esta es una metodología aplicada para resolver numéricamente ecuaciones de continuidad, movimiento y energía que describen un fenómeno físico, para lo cual sigue los siguientes pasos:

• Construir la geometría del dominio donde ocurre el fenómeno físico: Esta geometría también se conoce como CAD y se puede construir en software como AUTOCAD, SOLIDEDGE o GAMBIT.

• Discretizar el dominio, también conocido como el enmallado o mallado del sistema en tratamiento. Para enmallar un dominio se usa software como ANSYS MESHING, GAMBIT o ICEM.

• Resolver numéricamente las ecuaciones: En este punto se usa ANSYS FLUENT. Este software resuelve las ecuaciones y los modelos físicos con sus condiciones de frontera predefinidas. Para el desarrollo del trabajo actual se utilizó la licencia de ANSYS FLUENT 14.5 disponible en Ecopetrol ICP.

La solución del modelo CFD no es exacta sino de iteración numérica, luego la solución se consigue mediante el cálculo iterativo hasta reducir los desbalances de las ecuaciones a

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