Failure Analysis for Molten Salt Thermal Energy Storage Tanks for In-Service CSP Plants

Failure Analysis for Molten Salt Thermal Energy Storage Tanks for In-Service CSP Plants

El almacenamiento de energía térmica (TES) es un componente fundamental de las centrales de energía solar por concentración (CSP) para aumentar la despachabilidad y el factor de capacidad de la central, reduciendo al mismo tiempo el costo nivelado de la electricidad. En las centrales CSP de receptor central, las sales fundidas de nitrato se han utilizado durante varios años para temperaturas de operación de hasta 565°C, lo que actualmente se considera el estado del arte. Este informe se centra en el diseño y el rendimiento de los tanques a la temperatura actual de 565°C. Aunque los tanques de sales fundidas se han utilizado con éxito en centrales termosolares comerciales de colectores cilindro-parabólicos de todo el mundo a temperaturas de 290°C a 390°C, se han notificado varios fallos en tanques de centrales de receptor central que funcionan a 565°C tras unos meses o años de funcionamiento, lo que ha provocado importantes pérdidas económicas y desconfianza en la tecnología. La mayoría de estos fallos están asociados a la infancia de la tecnología ESTC de receptor central y a múltiples problemas relacionados con el diseño, la fabricación, la puesta en servicio y el funcionamiento agresivo de los tanques. Hoy en día no existe una norma técnica dedicada al diseño y fabricación de tanques de sales fundidas de nitrato. Una de las recomendaciones de ese estudio es el desarrollo de modelos precisos y validados para evaluar el funcionamiento transitorio de la central, capaces de captar el efecto de las nubes a corto plazo y la respuesta del operador, al tiempo que adaptables a diversos datos de recursos espaciales y temporales. Este informe se inspiró en esta recomendación y se centró en (1) desarrollar y validar un modelo basado en la física para un tanque de sales fundidas representativo a escala comercial, (2) realizar simulaciones para evaluar el comportamiento del tanque en función de las condiciones típicas de funcionamiento de la central, (3) comprender los mecanismos de fallo del tanque, (4) determinar las tensiones residuales y la distorsión en el fondo del tanque tras la fabricación de las soldaduras y evaluar su impacto en las tensiones desarrolladas en el tanque durante el funcionamiento, (5) evaluar el impacto de los parámetros clave de funcionamiento en las distribuciones de temperatura y tensiones, (6) realizar una evaluación preliminar de las características de diseño para reducir las tensiones y mejorar la fiabilidad del tanque, y (7) estimar la vida útil del tanque en función de las tensiones desarrolladas en diversos escenarios de funcionamiento. Del análisis realizado en el proyecto y presentado en este informe se desprende que en el fondo del tanque, cerca del perímetro, pueden desarrollarse tensiones máximas que superan el límite elástico del acero inoxidable (SS) 347H. Estas grandes tensiones están fuertemente influenciadas por las tensiones residuales iniciales y la distorsión del fondo del tanque después de la fabricación de la soldadura.  

Durante el funcionamiento, se desarrollan grandes tensiones en el fondo del tanque a altas temperaturas de funcionamiento con bajos niveles de inventario de sal durante el funcionamiento transitorio. Las tensiones elevadas también están relacionadas con gradientes de temperatura elevados en el fondo del tanque que podrían atribuirse a una mezcla insuficiente entre la entrada de sal y el inventario de sal. Según el análisis, la fluencia es el mecanismo de fallo predominante. Sin embargo, los grandes niveles de tensión podrían favorecer la deformación plástica desarrollando pandeos en el suelo, y la formación de grietas debido a la fisuración por relajación de tensiones durante el funcionamiento cíclico. Se estimó una vida útil del tanque inferior a 3 años para condiciones de funcionamiento representativas de la planta y una distribución inicial específica de tensiones residuales y deformaciones del fondo del tanque. La vida útil estimada coincide con el tiempo de servicio hasta el fallo registrado en varios tanques comerciales de sales fundidas. El SS 347H se ha considerado el estado del arte para tanques calientes de sales fundidas de nitrato para centrales termosolares de receptor central. Cabe señalar que este informe no pretende demostrar si el SS 347H sigue siendo un material viable para la próxima generación de plantas comerciales. Se han identificado varios retos para el acero inoxidable 347H, incluida su susceptibilidad al agrietamiento por relajación de tensiones, además de los retos asociados a la realización de tratamientos térmicos posteriores a la soldadura en grandes tanques y a la realización de reparaciones debido a su alto potencial de agrietamiento por recalentamiento en caliente. Aun cuando se recomienda la investigación para evaluar las alternativas de diseño, fabricación e implementación para reducir las tensiones y la susceptibilidad al agrietamiento de este material, los materiales de acero inoxidable alternativos distintos del SS 347H también merecen una mayor consideración para evaluar su potencial para contribuir a solucionar los fallos actuales de los tanques. Del análisis presentado en este informe pueden extraerse directrices de diseño y funcionamiento para ayudar a los fabricantes de tanques y a los operadores de CSP a reducir las tensiones residuales y de funcionamiento para lograr una vida útil del tanque de al menos 30 años. 

Basándose en las lecciones aprendidas en este estudio, se requiere más I+D para comprender cómo influyen los diversos factores en los fallos de los tanques y cuál es la mejor solución a largo plazo. Resolver los fallos de los tanques de sales fundidas es fundamental para la supervivencia de la industria termosolar, pero también es importante para otras aplicaciones industriales y de generación de energía que utilizan esta tecnología, como la nuclear y la termosolar de concentración. La generación actual de centrales termosolares de receptor central (torre solar) utiliza normalmente una configuración de almacenamiento de energía térmica (TES) de dos tanques de sales fundidas integrada con un ciclo convencional de generación de energía de vapor-Rankine. Normalmente, los tanques calientes para aplicaciones CSP de receptor central se componen de una carcasa y un suelo de acero inoxidable (SS) 347H; una cimentación del tanque hecha de arena, ladrillo refractario, vidrio celular y hormigón; un sistema de tuberías que transporta las sales fundidas (normalmente una mezcla de nitrato de sodio y potasio) dentro y fuera del tanque; tuberías internas y mezcladores estáticos que distribuyen la sal dentro del tanque; y un aislamiento exterior. En todo el mundo se han producido varios fallos en tanques TES calientes de sales fundidas en plantas comerciales de CSP, incluido el proyecto Crescent Dunes Solar Energy en Estados Unidos, que han causado importantes pérdidas económicas y desconfianza en esta tecnología CSP. La mayoría de estos fallos están asociados a los procedimientos de diseño y fabricación del fondo del tanque, que provocan altas tensiones residuales tras la fabricación de las soldaduras, así como a la fricción entre el fondo y la cimentación y a los gradientes de temperatura en el fondo del tanque que dan lugar a altas tensiones (que superan habitualmente el límite elástico del SS 347H) durante el funcionamiento, agrietamiento por relajación de tensiones (SRC), pandeo y fluencia. En la actualidad no existen normas técnicas para el diseño, fabricación e implementación de tanques de sales fundidas que operen a temperaturas de hasta 565°C. Mientras que los tanques de sales fundidas que operan entre 290°C y 390°C han funcionado bien en general, los que se han diseñado y operan a temperaturas más elevadas han experimentado costosos fallos.

 

El informe se centra en el almacenamiento de energía térmica (TES) como componente esencial en las plantas de energía solar de concentración (CSP) para aumentar su capacidad de despacho y factor de capacidad, además de reducir el costo nivelado de electricidad. En plantas receptoras centrales CSP, se han utilizado sales fundidas de nitrato durante varios años para temperaturas de operación de hasta 565°C, considerado actualmente el estado del arte. Sin embargo, se han reportado varias fallas en tanques de plantas receptoras centrales que operan a esta temperatura después de pocos meses o años de operación, provocando pérdidas económicas significativas y desconfianza en la tecnología. Estas fallas se deben en gran medida a la inmadurez de la tecnología CSP de receptor central y a múltiples problemas relacionados con el diseño, la fabricación, la puesta en marcha y la operación agresiva de los tanques . Se seleccionó un diseño representativo de tanque caliente comercial, basado en una revisión de la literatura y una encuesta sobre diferentes diseños de tanques calientes, dimensiones, y condiciones operativas típicas de las plantas, así como fallas reportadas. Se contactó a la mayoría de las plantas CSP operativas de receptor central para solicitar su participación en el proyecto, recolectando información general de diseño de tanques y condiciones operativas. El diseño representativo del tanque fue implementado en Solid Edge y exportado a ANSYS para su modelado y validación utilizando datos históricos de operación de plantas. Las simulaciones evaluaron las distribuciones de temperatura y estrés en todos los componentes del tanque bajo condiciones operativas típicas, identificando las regiones del tanque más susceptibles a fallas. Se propusieron y evaluaron algunas alternativas de diseño y operación para reducir las tensiones y mejorar la confiabilidad del tanque . En las conclusiones, se destacó la importancia de mejorar los procedimientos de soldadura para reducir las tensiones residuales y distorsiones en el fondo del tanque, lo cual tiene una fuerte influencia en las tensiones desarrolladas durante la operación. Se sugirió que la selección de parámetros de soldadura debería centrarse en producir un fondo con bajas tensiones residuales. Además, se evaluaron nuevos materiales de relleno para soldadura, que podrían reducir significativamente las tensiones residuales en el fondo del tanque . Este informe proporciona información que puede servir como guía para mitigar fallas en tanques existentes y considerarse en el diseño de nuevos tanques, contribuyendo a la mejora de la tecnología CSP y la confianza en su implementación.  

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