Traceado eléctrico en una planta Termosolar
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Julio Lastra Cuervo
Certificado Experto Supervisor de Mantenimiento por la AEM. 2022
Marquesado Solar
1. INTRODUCCIÓN
De todos los conceptos que podemos elegir en una planta termosolar la temperatura es, sin duda, el concepto con más matices y repercusiones. Estos matices son aprovechados y evaluados por los equipos de operación y mantenimiento durante toda su vida útil, cada uno con su punto de vista.
Desde el punto de vista del proceso, la línea de trabajo es simple, se busca convertir la máxima energía solar en electricidad, y la temperatura juega el papel más importante para conseguirlo.
En mantenimiento, aunque comparte el objetivo con operación, parte de otras premisas y no solo se necesita aprovechar la energía solar, si no que necesita mantenerla aun sin sol, a lo largo del tiempo.
La aplicación principal del traceado eléctrico en las centrales Termosolares es mantener y compensar las pérdidas de calor que sufren ciertos fluidos (principalmente HTF y sales fundidas) durante el proceso de producción o transporte.
La idea es prevenir que el fluido se congele o cambie su viscosidad manteniéndolo por encima de una temperatura específica, incluso cuando no hay riesgo de congelación, evitando que pudiera afectar a tuberías, instrumentos o equipos.
El sistema de traceado eléctrico aporta energía calorífica necesaria para compensar dichas perdidas.
2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
La base del sistema es un cable calefactor que está en contacto directo con la superficie de la tubería, depósito o equipo en cuestión. El cable calefactor, mediante la corriente eléctrica transmitida por los conductores, y junto a capa de aislamiento que lo recubre y protege ante cualquier accidente, es capaz de alcanzar y mantener la temperatura requerida por el sistema. Para lograr este efecto y adaptarse a las condiciones de cada momento, se recurre a controladores de temperatura que permiten controlar y supervisar procesos industriales a distancia.
3. TIPOS DE TRACEADO ELÉCTRICO Y CARACTERÍSTICAS
El cable calefactor se selecciona en función de la longitud del circuito requerida y la temperatura de funcionamiento. La combinación de estos factores determina qué tipo de cable es el más adecuado.
Ateniendo a esta definición, podemos clasificar los cables calefactores en 3 grupos:
- Cables calefactores autorregulantes, con cubierta de polímero autorreguladores se utilizan normalmente para temperaturas de hasta 200 ° C y circuitos de hasta 200 metros de longitud.
Este tipo de cables presentan muchas ventajas, son muy fáciles de instalar debido a que pueden cruzarse entre sí varias veces sin riesgo de daño, se fabrican a medida en campo, proporcionan temperaturas homogéneas y no suelen superar las temperaturas máximas, son ideales para la protección contra congelación en tuberías plásticas.
Por el contrario, no se pueden utilizar en sistemas que superen los 200ºC (dependiendo del modelo y fabricante) y hay que dimensionarlos muy bien para la utilización en tuberías plásticas ya que algunos pueden sobrepasar el punto de fusión de dichas tuberías.
- Cables calefactores de aislamiento mineral, son adecuados para temperaturas de hasta 650 ° C y 1km de longitud.
Están formado por hilos de cobre o de termopar con recubrimiento de cobre, acero inoxidable, aislados mediante minerales como el óxido de magnesio. Puede contener la cantidad de hilos que se desee, pero las configuraciones más habituales son las de 1, 2 pares de conductores. Soportan altas temperaturas sin pérdida de precisión por lo que son ideales para cualquier proceso a alta temperatura.
A diferencia de los cables autorregulantes, estos cables normalmente vienen conformados de fábrica, por lo que obliga a tener stock de repuesto en aquellas aplicaciones críticas y tampoco se pueden cruzar, esto provocaría un cortocircuito.
- Cables calefactores para traceados específicos, diseñados para aplicaciones con circuitos de calefacción mucho más largos, por lo general, tienen una clasificación de hasta 250 ° C.
4. DISEÑO
El diseño y dimensionado del traceado eléctrico depende tanto de las condiciones ambientales y entorno como las necesidades del proceso y las características constructivas del sistema a tracear.
- Atendiendo a las condiciones ambientales y entorno los puntos a tener en consideración serían:
- Temperatura ambiente (mínima y máxima).
- Velocidad media del viento.
- Tipo de instalación (interior o exterior).
- Cuando nos referimos a las necesidades del proceso, hay que tener en cuenta:
- Temperaturas de proceso.
- Máximas (constantes y picos puntuales).
- Temperatura a mantener.
- Temperaturas de proceso.
- Valorando las características constructivas:
- Requisitos eléctricos de la planta o sistema.
- Tipo de control a aplicar:
- Mediante controladores locales.
- Con PLCs gobernado por Scada.
- Schedule de tuberías.
El último parámetro del diseño de la instalación sería el aislamiento y basándose en los datos anteriores se realizaría teniendo en cuenta:
- Material barrera térmica (Foil de aluminio, Inox…).
- Material de aislamiento (Fibra de vidrio, lana de roca, armaflex…).
- Espesor del material aislante.
- Recubrimiento (Chapa de aluminio, Inox…)
5. LOS TRACEADOS EN UNA TERMOSOLAR
En una central termosolar encontramos 3 zonas diferenciadas de traceado, tanto por ubicación como por las condiciones de proceso:
- BOP (Balance Of Plant)
- El objeto de la instalación de BOP, consiste en un Traceado Eléctrico para evitar que el agua se congele (mantener por encima de 10ºC) en tuberías, bombas y tubings de instrumentación que contienen agua/condensados/vapor.
- En BOP se utilizan en mayor medida los cables calefactores autorregulantes debido al mayor uso de tuberías de PVC.
- HTF (Heat Transfer Fluid)
- Este sistema pertenece al fluido caloportador que se utiliza para la generación de vapor, debido a las características propias del aceite este solidifica a 12°C por lo que hay que mantener una temperatura mínima de 35°C para evitar la formación de tapones en tuberías, válvulas, bombas…
- En HTF se utilizará en mayor grado los cables calefactores de aislamiento mineral, dejando el uso de los cables calefactores autorregulantes para algunos de los sistemas auxiliares de bombas, instrumentación…
- TES (Thermal Energy Storage)
- Del lado de las sales fundidas es mayor la criticidad ya que la temperatura a mantener es próxima a los 300°C debido a que la solidificación de las sales se produce a temperaturas de unos 250°C.
- En TES se utilizará en casi toda su totalidad los cables calefactores de aislamiento mineral.
Todos los sistemas se pueden gobernar mediante controladores locales o bien mediante PLCs que permiten en remoto desde sala control, habilitar o deshabilitar el control de temperatura de los traceados, revisar y reconocer alarmas, modificar parámetros y monitorizar el comportamiento de las diferentes temperaturas mediante gráficos e históricos de las mismas.
En BOP al ser un sistema menos crítico (de cara a las temperaturas a mantener) también se puede establecer un control automático mediante sondas ambientales, sin conversión en campo. La señal se distribuye hasta los controladores instalados en cada armario. Con este tipo de control, dependiendo de la temperatura ambiente actuará o no el traceado. Sistema menos eficiente energéticamente que un PLC.
6. MANTENIMIENTO
El mantenimiento es un eje fundamental para la conservación de los equipos e instalaciones lo que me permite maximizar producción. Proporciona confiabilidad, eficiencia, productividad y por ende ampliar la vida útil de los equipos.
Dependiendo del trabajo a realizar, se pueden distinguir tres tipos de estrategias de mantenimiento: Predictivo, preventivo y como último recurso, correctivo.
- Mantenimiento predictivo (según condición)
- El mantenimiento predictivo es una técnica que utiliza herramientas y técnicas de análisis de datos para detectar anomalías en el funcionamiento y posibles defectos en los equipos y procesos, de modo que puedan solucionarse antes de que sobrevenga el fallo.
- Se interviene solo cuando es necesario.
- Ejemplos de tareas realizadas anualmente en circuitos de traceado:
- Test de funcionamiento de protección diferencial.
- Test de funcionamiento mecánico de magnetotérmicos.
- Ensayo de resistencia de aislamiento del cable calefactor.
- Mantenimiento preventivo (a intervalos fijos)
- El objetivo del mantenimiento preventivo es identificar las señales tempranas de un defecto para minimizar el riesgo de averías no programadas y reducir la necesidad de realizar mantenimiento correctivo.
- Ejemplos de tareas realizadas mensualmente en circuitos de traceado:
- Medición de tensión de alimentación.
- Medición de corriente de operación.
- Inspección visual, inspección de aislamiento térmico, conexiones eléctricas, sellado de las cajas de protección presencia de humedad, corrosión, etc.
- Mantenimiento correctivo
- El mantenimiento correctivo es el más obvio y el más elemental de los mantenimientos, puede sintetizar el ciclo "rompe-repara", es decir, la reparación de los equipos después de la ruptura. Es la forma más cara de mantenimiento desde el punto de vista total del sistema.
- Ejemplos de tareas realizadas anualmente en circuitos de traceado:
- Sustitución de cables calefactores.
- Sustitución de convertidores 4/20mA de las PT-100
- Sustitución de contactores y relés de estado sólido.
7. FALLOS TRACEADO
Problemas que pueden sufrir los traceados:
- Deterioro progresivo del aislamiento, especialmente en traceados con aislamiento mineral, por los cambios de temperatura.
- Fallos de controladores.
- Fallos de contactores.
Labores para evitarlo:
- Medida y seguimiento de resistencias, consumo, aislamiento.
- Inspecciones.
Para ello se ha de dividir la instalación de traceado en tres familias:
- Sistema de cables de traceado.
- Sistema de regulación y control.
- Cuadros eléctricos y líneas de distribución.
En el plan de mantenimiento quedara definida tanto las intervenciones a realizar como la frecuencia de las mismas, en cada una de las familias descritas.
Partiendo de los grupos o familias definidas anteriormente, se definen las tareas o intervenciones que resulte pertinente realizar en función de la composición y características particulares de cada elemento concreto a mantener y sus requerimientos particulares de servicio.
El plan de mantenimiento se completa ajustando la frecuencia de cada intervención, obteniendo así el plan de mantenimiento preventivo para cada elemento.
8. EXPERIENCIA Y LECCIONES APRENDIDAS
El caso más crítico de una falla de traceado fue la obstrucción de unas tuberías de drenaje en TES ocasionadas por un mal diseño de la instalación y mala ejecución en la construcción de la instalación:
- Deficiente espesor de aislamiento en válvulas.
- Mala ubicación de sondas de temperatura.
- Falta de aislamiento (en algunas zonas no se había completado el espesor requerido).
- Mal sellado de las juntas de las chapas de recubrimiento (con días de fuerte aire había un descenso de temperatura en algunas líneas).
- Cuerpos de válvulas sin calorifugar (hacían de emisores de calor).
En nuestro caso se ha mejorado el proceso de esta actuación correctiva para estas situaciones, mediante el radiografiado de la zona para determinar la extensión de la obstrucción. La radiografía es un procedimiento sencillo y fiable que evita cortes en las zonas afectadas, acotando el tapón mediante catas sucesivas, cada una de las cuales requiere en torno a una hora sumando exposición y revelado, además de precisar andamiaje en muchos casos y disponibilidad de una empresa especializada. Una vez localizada la obstrucción se requiere de un tratamiento térmico con manta cerámica de al menos 300°C durante varios días hasta eliminar por completo la obstrucción. La verificación mediante una segunda radiografía es fundamental antes de volver a alinear a proceso.
Un buen diseño y dimensionado de los sistemas de traceado junto con la adecuada supervisión en la fase de construcción evitarían un gran número de incidencias en los sistemas de traceado.
