Cosa causa i depositi sulle palette di una turbina WTE?

I depositi sulle pale di una turbina WTE hanno solitamente origine dalle impurità presenti nel vapore: gocce d’acqua della caldaia trascinate nel flusso di vapore, silice trasportata in fase vapore o prodotti di corrosione rilasciati dal circuito dell’acqua e del vapore. L’azione correttiva dipende dal materiale presente e dal modo in cui è arrivato sulle pale. La pulizia ripristina il percorso del flusso, ma il ripetersi dei depositi indica che la fonte di contaminazione o il meccanismo di trasporto è ancora attivo.

In un impianto di termovalorizzazione, le ceneri della combustione e i fumi restano al di fuori del normale percorso del vapore nella turbina. La composizione dei rifiuti influisce sul funzionamento della caldaia e sulle superfici di scambio termico, ma la presenza di cenere sul lato fumi non dimostra la causa dell’incrostazione della turbina. Per formulare una diagnosi servono prove che colleghino il deposito sulle pale alla chimica del vapore, al trattamento dell’acqua, alle condizioni delle apparecchiature o a un evento operativo.

Il trascinamento dell’acqua della caldaia introduce sali disciolti

Il trascinamento meccanico si verifica quando le gocce d’acqua sfuggono al sistema di separazione del vapore della caldaia. Queste gocce contengono sostanze disciolte e sospese nell’acqua della caldaia. Quando entrano nel vapore surriscaldato ed evaporano, lasciano contaminanti che possono accumularsi su valvole, ugelli e pale.

Un livello elevato nel corpo cilindrico, la formazione di schiuma, componenti del separatore danneggiati e il funzionamento al di fuori dell’intervallo di carico previsto per il separatore aumentano la probabilità di trascinamento. I rapidi cambiamenti di carico richiedono particolare attenzione. Durante una riduzione della pressione, il rigonfiamento del livello nel corpo cilindrico può far apparire più alto il livello dell’acqua e compromettere la separazione, anche se le letture precedenti in regime stazionario erano accettabili.

Un’elevata concentrazione di solidi disciolti nell’acqua della caldaia favorisce il trascinamento in condizioni sfavorevoli. La contaminazione organica, compreso l’ingresso di olio nel sistema della condensa, può favorire la formazione di schiuma. Aumentare lo spurgo può ridurre la concentrazione dei solidi disciolti, ma non ripara un separatore danneggiato né elimina la fonte di ingresso dell’olio.

Il sodio in un campione rappresentativo di vapore è un indicatore utile della contaminazione, poiché molte impurità dell’acqua della caldaia contengono sodio. Tuttavia, un picco di sodio da solo non identifica il punto di ingresso. Confrontarne la tempistica con il livello nel corpo cilindrico, le rampe di carico, la chimica dell’acqua della caldaia e la qualità della condensa. Una breve contaminazione durante l’avviamento o una variazione di carico può lasciare depositi anche se i campioni successivi tornano nella norma.

La silice si comporta diversamente dal trascinamento di gocce

La silice può entrare nel vapore sia per trascinamento meccanico sia per trasporto in fase vapore. La sua ripartizione tra acqua della caldaia e vapore varia in funzione della pressione e della chimica dell’acqua. Di conseguenza, una separazione efficace delle gocce non garantisce, da sola, un contenuto di silice sufficientemente basso nel vapore.

Man mano che il vapore si espande attraverso la turbina, diminuisce la sua capacità di trattenere la silice, che può così depositarsi sulle superfici a valle. Gli stadi interessati dipendono dalle condizioni di ingresso e dal percorso di espansione; attribuire ogni deposito di silice a uno stadio fisso della turbina non è affidabile. I depositi ricchi di silice sono spesso duri e difficili da rimuovere con la sola acqua.

Una bassa concentrazione di sodio nel vapore non dimostra quindi che il controllo della silice sia adeguato. La silice nel vapore deve essere misurata separatamente, con il supporto dei dati sulla silice nell’acqua della caldaia e dei registri del trattamento dell’acqua di reintegro. Se si utilizza un’unità di demineralizzazione, l’esaurimento del mezzo, il breakthrough o problemi di rigenerazione possono aumentare il carico di silice che entra nel ciclo.

I depositi contenenti fosfati richiedono un’interpretazione diversa. In una caldaia trattata con fosfati, la presenza di fosfati in un deposito della turbina è un forte indizio del trasferimento di acqua della caldaia nel vapore. Aumentare il dosaggio dei prodotti chimici senza indagare sul trascinamento può accrescere la quantità di materiale disponibile per la deposizione.

La composizione del deposito restringe il campo d’indagine

Il colore e la consistenza aiutano a documentare un deposito, ma non permettono di identificarlo con affidabilità. Uno strato scuro può contenere ossidi di ferro mescolati a sali; un deposito chiaro può contenere silice o diversi composti usati nel trattamento dell’acqua. Fotografare le superfici e prelevare campioni prima del lavaggio, della sabbiatura o dell’applicazione di prodotti chimici.

Tenere separati i campioni prelevati da stadi e componenti diversi. Annotare lo stadio, il lato della pala, la posizione radiale, lo spessore del deposito e se il materiale è friabile o aderente. Riunire tutto in un unico campione elimina informazioni sulla posizione, utili per distinguere la contaminazione a monte dalla deposizione durante l’espansione.

L’analisi elementare identifica i costituenti; l’analisi delle fasi mineralogiche aiuta a determinare i composti presenti. Anche la verifica della solubilità in acqua orienta la scelta del metodo di pulizia. I depositi misti richiedono spesso più di un metodo analitico, soprattutto quando i sali solubili legano tra loro particelle più dure di silice o ossido.

Tracciare la contaminazione nel circuito dell’acqua e del vapore

Una perdita nel condensatore può introdurre impurità dell’acqua di raffreddamento nella condensa. Anche la condensa di processo contaminata e reimmessa nel ciclo costituisce un’altra possibile via, nei casi in cui il calore viene ceduto all’esterno. I depositi risultanti nella turbina dipendono dai contaminanti, dalla loro concentrazione nella caldaia e dal loro trasferimento nel vapore.

Confrontare i campioni di acqua di reintegro, condensa, acqua di alimento, acqua della caldaia e vapore all’ingresso della turbina. Un peggioramento rilevato prima nella condensa indica una fonte diversa rispetto a uno limitato all’acqua della caldaia. I registri delle analisi chimiche dovrebbero includere anche le variazioni del trattamento, l’aumento anomalo del fabbisogno di acqua di reintegro, i periodi di avviamento e qualsiasi isolamento dei ritorni di condensa.

In caso di depositi ricchi di ferro, esaminare il trasporto dei prodotti di corrosione e la cronologia operativa recente. L’esposizione durante l’arresto, una conservazione inadeguata e le perturbazioni in avviamento possono rilasciare ossidi accumulati. Anche le particelle di ossido più grandi possono causare erosione; una superficie che presenta sia depositi sia danni da impatto può quindi riflettere più di un meccanismo.

Verificare il sistema di campionamento prima di considerare attendibile un risultato che indica vapore apparentemente pulito. La posizione e la modalità di prelievo, le condizioni della linea, il raffreddamento e la risposta dell’analizzatore influiscono sulla possibilità di rilevare un breve evento di contaminazione. Un campione di laboratorio analizzato in ritardo, dopo il ripristino di un funzionamento stabile, non può ricostruire un precedente picco di trascinamento.

Distinguere i sintomi dell’incrostazione da altre perdite di prestazioni

I depositi modificano il profilo delle pale, aumentano la rugosità superficiale e restringono i passaggi degli ugelli. In base alla posizione e alla gravità, possono ridurre il rendimento, modificare le pressioni degli stadi o diminuire la capacità di portata. Confrontare la pressione degli stadi e il flusso di vapore a parità di condizioni di ingresso, pressione di scarico e carico: una singola lettura di pressione non è sufficiente.

Per una turbina a vapore che aziona un generatore, disponibile con potenze nominali da 1.5 MW a 400 MW, la potenza elettrica dovrebbe essere valutata insieme al flusso di vapore e alle condizioni termodinamiche. La sola perdita di potenza non consente di distinguere l’incrostazione delle pale da una riduzione della temperatura di ingresso, da una pressione più elevata nel condensatore o da limitazioni elettriche.

Anche le vibrazioni richiedono la stessa cautela. Una deposizione non uniforme può alterare l’equilibratura del rotore, ma anche variazioni dell’allineamento, problemi ai cuscinetti, sfregamenti e danni alle pale causano vibrazioni. Correlare gli andamenti delle vibrazioni con gli eventi rilevati dalle analisi chimiche e con le variazioni delle prestazioni, quindi verificare le condizioni meccaniche durante l’ispezione. Il materiale friabile può staccarsi: una variazione improvvisa delle vibrazioni non dimostra che l’incrostazione sia stata risolta.

Adeguare la rimozione e la prevenzione al meccanismo confermato

Scegliere i metodi di pulizia sulla base dell’analisi dei depositi e delle procedure del costruttore della turbina. Il lavaggio con acqua è adatto ad alcuni sali solubili, mentre i depositi ricchi di silice o gli ossidi fortemente aderenti possono richiedere un altro metodo approvato. Una pulizia abrasiva non controllata può modificare la geometria o la finitura superficiale delle pale; i prodotti chimici non adatti possono intaccare i materiali o rimanere intrappolati nelle fessure.

Prima della pulizia, valutare la presenza di vaiolatura, crepe ed erosione sotto il deposito. Una pala che sembra incrostata può anche presentare danni da corrosione che richiedono riparazione o sostituzione. Il lavaggio online deve essere eseguito solo se espressamente consentito dal progetto della turbina e dalla procedura operativa, con limiti definiti per l’immissione e lo scarico dell’acqua.

Gli interventi correttivi devono basarsi sulle evidenze: riparare i componenti di separazione in caso di trascinamento meccanico, stabilizzare il comportamento del livello nel corpo cilindrico durante i transitori, ripristinare la rimozione della silice quando è confermato un breakthrough del trattamento oppure isolare la fonte di contaminazione nella condensa. Dopo il riavvio, monitorare l’andamento della chimica di campioni rappresentativi di vapore durante l’avviamento e le variazioni di carico, oltre che in regime stazionario. Ispezionare nuovamente gli stadi interessati al primo fermo utile per verificare se la deposizione è rallentata o si è ripresentata.