Validación de vida útil del receptor central en CSP de torre

Este caso de estudio cuantifica la vida útil receptor CSP de torre a partir de eventos reales de operación y datos de planta.

Reto

Traducir eventos operativos reales (defocus de emergencia, variabilidad de flujo solar, puntos calientes) a consumo de vida útil del receptor central —con base en modelos FEM y criterios de fitness-for-service— para priorizar riesgos, proteger la disponibilidad y orientar la toma de decisiones en operación y mantenimiento.

Contexto

La CSP de torre concentra el campo de heliostatos sobre un receptor central de paneles tubulares por donde circulan sales fundidas a alta temperatura. Esta tecnología combina gradientes térmicos intensos con transitorios frecuentes por:

• Control de flujo (defocus y refocus),
• Variabilidad atmosférica (nubes, polvo, viento),
• Desalineaciones locales que generan hot-spots persistentes en la cara frontal.

Los mecanismos de daño relevantes son fatiga térmica de bajo ciclo, ratcheting (acumulación plástica), creep a alta temperatura y su interacción creep-fatiga. El objetivo práctico no es “el peor caso imaginable”, sino el impacto acumulado de lo que realmente ocurre en planta.

Metodología (modelos, supuestos, validación)

Modelos. Se desarrollaron submodelos 3D locales en las uniones más sensibles:

• Tubo–soporte (saddle/eyelet),
• Tubo–boquilla–colector (header).
  Se resolvieron con elementos sólidos, propiedades dependientes de la temperatura y endurecimiento cinemático para capturar ciclos térmicos.

Térmico-hidráulico. La convección interna de sales se representó con correlaciones estándar (p. ej., tipo Dittus–Boelter) evaluadas a la temperatura de operación; los mapas térmicos de cara frontal se parametrizaron con base en termografía y registros DCS/PI.

Materiales. Combinaron aleaciones Ni-base y aceros inoxidables (tubo, forja, placa y metal de soldadura), con curvas de fatiga y leyes de creep apropiadas al rango de servicio.

Criterios de evaluación. Verificaciones frente a ASME/API FFS:

• Ratcheting (tensión–deformación sostenidas),
• Daño por fatiga (ciclos equivalentes),
• Daño por creep (horas equivalentes a la tensión/temperatura de servicio),
• Interacción creep-fatiga (curva de daño combinado).

Casos analizados.

1. Transitorios de enfriamiento (defocus): rampas rápidas desde régimen caliente a temperaturas inferiores, representando maniobras de seguridad/control.
2. Hot-spots estacionarios: escenarios con temperatura de metal elevada y sostenida en la cara frontal de paneles, con ocurrencias y duraciones representativas de la operación real.

Validación. Los submodelos se contrastaron frente a campos de referencia del diseñador del receptor, reproduciendo el orden de magnitud de tensiones y deformaciones en régimen nominal. Esto permitió usar los modelos como “contador de daño” para los escenarios fuera de especificación.

Resultados en vida útil del receptor CSP

1) Defocus rápidos: consumo marginal.
Incluso con rampas agresivas, los defocus de emergencia aportan muy poco consumo de vida por su baja duración y escasa recurrencia. En términos relativos, su contribución a ciclos y horas equivalentes es despreciable frente a los márgenes de diseño del receptor.

2) Hot-spots sostenidos: el driver real.
Los puntos calientes mantenidos (especialmente en paneles de entrada) concentran el consumo relevante. Dos factores gobiernan el riesgo:

• Duración por evento (escala casi lineal el daño por creep).
• Recurrencia (acumula ciclos equivalentes de fatiga).
  Hot-spots moderados pero frecuentes pueden consumir más vida que un transitorio severo pero breve.

3) Sensibilidad por componente.

• Tubos de panel: más sensibles a mapas térmicos asimétricos prolongados; foco prioritario de monitorización.
• Headers/boquillas: con los escenarios evaluados permanecen muy por debajo de límites críticos; su contribución a daño agregado es mínima.

4) Balance agregado (horizonte bianual).
La suma de eventos “fuera de especificación” analizados arroja un impacto bajo (orden de pocos puntos porcentuales sobre los límites contractuales de ciclos/horas). La operación nominal del receptor ya impone un estado tensional elevado; por eso, un enfriamiento súbito no necesariamente incrementa el pico de daño frente a ese régimen.

Resumen ejecutivo (matriz de aportación a consumo)

Escenario	Consumo de fatiga	Consumo de creep	Riesgo operativo
Defocus rápidos (emergencia)	Muy bajo	Muy bajo	Aceptable
Hot-spots moderados, frecuentes	Bajo–medio (según recurrencia)	Bajo–medio (según duración)	Crítico a vigilar
Hot-spots altos, poco frecuentes	Bajo	Bajo	Local, controlable
Header/boquilla (todos los casos)	Despreciable	Despreciable	No limitante

Impacto operativo (OPEX, riesgos, tiempos)

• Impacto directo en la vida útil receptor CSP: priorizar hot-spots sostenidos frente a transitorios breves.
• No penalizar maniobras de seguridad. Los defocus son herramientas efectivas de control y, en términos de vida útil, baratas: su coste en daño es marginal. Esto despeja dudas en dispatch y control cuando se prioriza la protección del activo.
• Gestionar la permanencia de hot-spots. El tiempo a alta temperatura es el multiplicador de daño; reducir la duración de los mapas anómalos tiene más impacto que “suavizar” rampas breves.
• Priorización de inspección. Con consumos agregados bajos, no se justifica adelantar paradas por integridad solo por defocus. Sí conviene reorientar inspecciones predictivas hacia zonas con recurrencia de hot-spots, donde es más probable observar daño local por creep/fatiga.
• Disponibilidad y OPEX. En la práctica, esta lectura permite evitar intervenciones innecesarias por transitorios y enfocar recursos en la mitigación de mapas térmicos persistentes (alineación, control de flujo, limpieza), que son los que realmente erosionan la vida útil.

Lecciones y límites del estudio

Lecciones clave

1. La duración pesa más que la rampa. El coste en vida de un episodio breve y severo es menor que el de un mapa moderado sostenido.
2. El régimen nominal ya es exigente. Las tensiones de operación continua son del mismo orden que las que aparecen en ciertos transitorios; por eso, la mera existencia de una rampa rápida no implica, per se, mayor daño agregado.
3. Modelos locales + datos reales = decisiones accionables. Submodelos 3D en juntas críticas, validados con referencias del diseñador, permiten convertir termografía y logs en indicadores de vida útiles para operación y mantenimiento.

Límites

• Alcance local y conservador. Se modelaron zonas críticas (no el receptor completo) y se usaron criterios FFS estándar; no se abordó la evolución microestructural detallada ni alivios por plasticidad cíclica a largo plazo.
• Dependencia de ocurrencias y duraciones. Los resultados escalan con la persistencia de los hot-spots; escenarios con mayores tiempos por evento consumirían más vida.
• Sin juicio de diseño. El estudio evalúa impactos operativos sobre una base de diseño dada; no entra a valorar la conformidad del diseño original.

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