ES2264682T3 - Construccion de integracion entre una caldera y una turbina de vapor y metodo de precalentamiento del agua de suministro para una turbina de vapor y de su control. - Google Patents
Construccion de integracion entre una caldera y una turbina de vapor y metodo de precalentamiento del agua de suministro para una turbina de vapor y de su control.Info
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Abstract
Construcción integrada de una caldera de vapor dotada con una cámara (K) de combustión y una turbina de vapor, en la que se conduce vapor desde una caldera (10) de vapor a lo largo de un conector hasta una turbina (11) de vapor para hacer rotar un generador (G) eléctrico, el agua de suministro que se hace circular a través de la caldera (10) de vapor se vaporiza en un vaporizador (190) situado en la caldera (10) de vapor y se sobrecalienta en un sobrecalentador (120), el agua de suministro se conduce hacia la caldera a través de un economizador (20) que actúa como un intercambiador de calor, en el que se transfiere calor desde los gases residuales de la caldera hacia el agua de suministro, el economizador (20) se dota con al menos dos secciones, que comprenden al menos una primera sección (20a1) de economizador y al menos una segunda sección (20a2) de economizador, que están en serie el agua de suministro precalentada con los vapores purgados de la turbina de vapor se conduce en la caldera(10) de vapor después hasta un vaporizador (190) y un sobrecalentador (120) y a través de él, en la forma de vapor, hasta la turbina (11) de vapor, caracterizada porque un conector (19) que conduce hasta las secciones (20a1, 20a2) de economizador comprende un punto (D1) de ramificación hasta un conector (21) de derivación de suministro de agua, de modo que la primera sección (20a1) de economizador puede derivarse, al menos en lo que se refiere a parte del flujo de suministro de agua, y porque el punto (D1) de ramificación comprende una válvula (22) de distribución, con la que el flujo de suministro de agua puede controlarse entre la primera sección (2001) de economizador y el conector (21) de derivación y porque la construcción integrada comprende sensores (E1, E2) de temperatura que miden la temperatura de los gases residuales o sensores de temperatura que miden la temperatura del agua de suministro en el economizador (20) para controlar la válvula (22) de distribución.
Description
Construcción de integración entre una caldera y
una turbina de vapor y método de precalentamiento del agua de
suministro para una turbina de vapor y de su control.
La presente invención se refiere a una
construcción integrada entre una caldera de vapor y una turbina de
vapor y un método de precalentamiento del agua de suministro para
una turbina de vapor y su control, según los preámbulos de las
reivindicaciones 1 y 5, respectivamente. Tal construcción y método
se conocen a partir del documento
US-A-3 913 330.
La última cara de calentamiento de una caldera
de vapor antes de la chimenea es cualquier intercambiador de calor
de gas residual/aire o un economizador. En la presente solicitud, un
intercambiador de calor de gas residual/aire se entiende como un
intercambiador de calor entre el gas residual y el aire de
combustión, en el que el calor se transfiere desde el gas residual
hacia el aire de combustión para precalentar el aire de combustión.
En la presente solicitud, un economizador se entiende como un
intercambiador de calor en el que se transfiere energía térmica
desde los gases residuales hacia el agua de suministro.
Cuando se utiliza un intercambiador de calor de
gas residual/aire, el agua de suministro para la caldera puede
precalentarse por medio de vapor purgado de la turbina de vapor,
mediante lo cual aumenta la eficacia del proceso de la turbina de
vapor. Un intercambiador de calor de gas residual/aire, es decir un
intercambiador de calor en el que se transfiere energía térmica
desde los gases residuales directamente hacia el aire de
combustión, no se utiliza normalmente en pequeñas plantas de vapor
debido a su alto coste.
Cuando no se utiliza un intercambiador de calor
de gas residual/aire, los gases residuales de la caldera de vapor
se enfrían antes de pasar a la chimenea utilizando un economizador.
En tal caso, el agua de suministro no puede precalentarse con la
ayuda del vapor purgado de la caldera de vapor porque el
precalentamiento elevaría la temperatura final de los gases
residuales y así, disminuiría la eficacia de la caldera.
En el economizador de una caldera de vapor, se
transfiere calor desde los gases residuales hacia el agua de
suministro. Para una caldera de vapor, se utiliza una caldera de
vapor dotada con una cámara de combustión. Un cambio en la
temperatura del agua de suministro en el economizador es inferior
que un cambio en la temperatura del lado de gas residual. El
aumento de temperatura en el agua de suministro es normalmente del
40 al 50 por ciento de la respectiva disminución de temperatura en
el lado de gas residual. Así, una diferencia de temperatura en el
extremo caliente del economizador es considerablemente superior que
en el extremo frío. Un resultado de esta observación es que, además
del calor obtenido a partir de los gases residuales, puede
transferirse una clase diferente de calor hacia el agua de
suministro. En un proceso de turbina de vapor, es ventajoso
utilizar vapor purgado para el precalentamiento del agua de
suministro.
El economizador de la caldera de vapor en una
planta de vapor se divide en dos o más partes, precalentándose el
agua de suministro en los precalentadores del lado de alta presión
proporcionados entre dichas partes del economizador mediante el
vapor purgado de la turbina de vapor.
Con la ayuda de una conexión, la integración de
la caldera de vapor y la turbina de vapor, el proceso se hace más
eficaz. Por medio de tal disposición, los gases residuales de la
caldera de vapor pueden enfriarse eficazmente, y simultáneamente
aumentar la eficacia del proceso de turbina de vapor.
El coste de inversión es inferior que en una
alternativa provista con un intercambiador de calor de gas
residual/aire:
- -
- controlabilidad y eficacia de la caldera mejoradas
- -
- menor construcción de la caldera
- -
- menor coste de la caldera.
Cuando una solución de intercambiador de calor
de gas residual/aire no es rentable, puede ponerse en práctica un
procedimiento mejorado con la estructura puesto que puede aumentarse
el uso de vapor purgado.
La disposición se prefiere especialmente en un
caso en el que el aire de combustión de la caldera de vapor se
calienta en uno o más intercambiador(es) de calor de
vapor/aire conectados en serie y que utilizan vapor purgado.
En una patente FI anterior número 101 163 del
solicitante, se conoce la construcción de integración ventajosa
entre la caldera de vapor y la turbina de vapor. Ha demostrado ser
útil que pueda controlarse la temperatura del agua de suministro
que fluye a través de economizadores situados en el conducto de gas
residual. Una modificación a la construcción de integración
descrita en la patente FI número 101 163 se presenta en la presente
solicitud.
Se describe en la presente solicitud que
controlando el flujo de derivación del primer economizador del
precalentador en un economizador dividido y posiblemente
controlando la cantidad de gas purgado del precalentador del agua
de suministro también en un conector de derivación, puede
controlarse el grado de integración del proceso de turbina de
vapor. El precalentamiento está limitado por la temperatura de
ebullición del economizador más caliente, y el límite inferior es
el cierre de la purga. El método de control ejerce un impacto eficaz
sobre la producción de electricidad pero deteriora ligeramente la
eficacia de la caldera cuando el uso de vapor purgado supera el
valor planeado. El cambio en el grado de integración es del orden
del 10%. El cambio en la eficacia de la caldera es del 2 al 3% como
mucho.
Controlando la parte de flujo del agua de
suministro que fluye a través del economizador es posible
- (a)
- controlar la temperatura final del gas residual de la caldera según cambia la potencia de la caldera y según varía la calidad del combustible
- (b)
- controlar la temperatura final del agua de suministro de modo que la temperatura final del suministro de agua tras el economizador sea tal como se desea (siendo, por ejemplo, de 10 a 20ºC inferior a la temperatura de ebullición).
Particularmente cuando se trata de una caldera
de recuperación de sosa, los gases residuales son altamente
contaminantes y corrosivos, y por tanto, las calderas de
recuperación de sosa no pueden dotarse con un intercambiador de
calor de gas residual/aire. Los gases residuales de la caldera se
enfrían suministrando agua de suministro a aproximadamente 120ºC en
la caldera. El precalentamiento del aire de combustión es importante
debido a la combustión de lejía negra y, por tanto, el aire de
combustión se calienta con la ayuda de vapor de la planta,
normalmente hasta aproximadamente 150ºC.
La integración anterior no es óptima
considerando el proceso de turbina de vapor y, por tanto, la energía
eléctrica obtenida a partir de una turbina de contrapresión sigue
siendo baja. En cuanto a la caldera, prevalece una situación óptima
cuando la temperatura de los gases residuales que salen de la
caldera es tan baja como sea posible y no tiene lugar ya una
contaminación y corrosión excesiva de las caras térmicas. Cuando el
agua de suministro suministrada en la caldera está en una
temperatura constante, la temperatura de los gases residuales varía
de acuerdo con el nivel de potencia, calidad del combustible y la
situación de contaminación de las caras térmicas. Se alcanza una
temperatura óptima sólo momentáneamente mediante potencias
parciales.
Tal como se describió anteriormente, la manera
óptima de hacer funcionar la caldera se alcanza integrando la
caldera de recuperación de sosa y el proceso de turbina de vapor tal
como sigue. Se precalienta el aire de combustión, en lugar del
vapor de la planta, con vapores purgados de la turbina de vapor
hasta aproximadamente 200ºC, y se conecta un conector entre los
economizadores situados en el conducto de gas residual de la
caldera, desde el precalentador de agua de suministro que utiliza
vapor purgado. Controlando la temperatura del agua de suministro
que entra en la caldera con la ayuda de la cantidad de vapor purgado
que pasa a través del conducto de derivación al interior del
precalentador y/o controlando simultáneamente la temperatura del
agua de suministro de modo que se controle la cantidad de vapor
purgado que entra en el precalentador, puede controlarse la
temperatura final del gas residual de la caldera según se desee en
todas las situaciones de funcionamiento.
La construcción de integración entre una caldera
de vapor y una turbina de vapor de la invención en el control de la
temperatura del agua de suministro de la turbina de vapor se
caracteriza por lo que se presenta en las reivindicaciones.
La invención se describe a continuación haciendo
referencia a las realizaciones ventajosas de la invención
ilustradas en los dibujos de las figuras adjuntas.
La figura 1 presenta como un diagrama
esquemático una construcción de integración entre una caldera y una
turbina de vapor.
La figura 2 presenta una disminución de la
temperatura del gas residual en un conducto de gas residual y un
aumento de la temperatura en el agua de suministro de un
economizador en un control de la invención.
La figura 1 presenta una construcción de
integración entre una caldera de vapor y una turbina de vapor, que
comprende una caldera de vapor, tal como una caldera de recuperación
de sosa, a la que se lleva combustible tal como se muestra mediante
la flecha M_{1}. La caldera se indica mediante el número de
referencia 10. El evaporador se indica mediante el número de
referencia 190 y el sobrecalentador después en un conector 12a_{1}
mediante el número de referencia 120. Los gases residuales se
descargan durante un segundo tiro 10a desde la caldera 10 hacia una
chimenea 100 y a su través al aire exterior tal como se muestra
mediante la flecha L_{1}. El segundo tiro 10a es la parte de la
caldera que comprende las caras térmicas antes de la chimenea 100.
El vapor sobrecalentado se conduce hasta la turbina 11 de vapor a lo
largo del conector 12a_{1} y la turbina 11 de vapor se dispone
para hacer rotar un generador G que produce electricidad. Desde la
turbina 11 de vapor, se proporcionan conectores 13a_{1} y
13a_{2} para vapores purgados y un conector 13a_{3} en un
condensador 18 para vapor de salida o un vapor de contrapresión que
entra en un proceso industrial. El conector 13a_{1} se ramifica
en conectores 13a_{1 . 1} y 13a_{1 . 2} de ramificación, de los
que el conector 13a_{1 . 1} conduce a un precalentador 14 del
agua de suministro que discurre en el conector 19 y el conector
13a_{1 . 2} conduce a un precalentador 15a_{1} del aire de
combustión que se dota con un conector 13b_{2} de retorno hasta
el tanque 17 de agua de suministro. Desde el precalentador 14 de
agua de suministro, se proporciona un conector 13b_{2} de retorno
hacia el tanque 17 de agua de suministro. El aire de combustión se
conduce a lo largo de un conector o un conducto 16 de aire por
medio de precalentadores 15a_{1} y 15a_{2} de aire de
combustión situados en serie en la cámara K de combustión de la
caldera 10.
En la construcción de integración, la
temperatura del agua de suministro se eleva continuamente cuando
está fluyendo en una primera sección 20a_{1} de economizador y
desde la primera sección 20a_{1} de economizador hasta el
precalentador 14 de agua de suministro y a través de él hasta una
segunda sección 20a_{2} de economizador. En el precalentador 14,
el agua de suministro se calienta con la ayuda de energía térmica
obtenida a partir de los vapores purgados.
Desde la turbina 11 de vapor, se proporciona
además un conector 13a_{2} para vapor purgado, que se ramifica en
conectores 13a_{2 . 1} y 13a_{2 . 2} de ramificación. El
conector 13a_{2 . 1} conduce a un segundo precalentador 15a_{2}
de aire de combustión. Desde el precalentador 15a_{2} de aire, se
proporciona un conector 13b_{3} de descarga hasta el tanque 17 de
agua de suministro. El conector 13a_{2 . 2} conduce al tanque 17
de agua de suministro. El conector 13a_{3} de vapor de descarga
de la turbina 11 de vapor conduce hasta un condensador 18. En el
lado de salida del condensador 18, el conector 13a_{3} se dota con
una bomba P1 para bombear agua al interior del tanque 17 de agua de
suministro desde el condensador 18.
Una bomba P_{2} está conectada a un conector
19 que conduce desde el tanque 15 de agua de suministro hasta una
primera sección 20a_{1} de economizador del economizador 20 en el
conducto 10a de gas residual, estando conectada además dicha
primera sección 20a_{1} de economizador a una segunda sección
20a_{2} de economizador, secciones 20a_{1} y 20a_{2} de
economizador que están de esta manera en serie la una con respecto a
la otra y entre dichas secciones 20a_{1} y 20a_{2} de
economizador, se conecta un conector 21', conduciéndose hasta un
punto D_{2} de ramificación desde el precalentador 14 de agua de
suministro, para proporcionar energía a partir del vapor purgado.
El economizador 20 está compuesto por al menos dos secciones. La
dirección de flujo del agua de suministro en el conector 19 se
indica mediante la flecha L_{2}. El agua de suministro en el
conector 19 se hace fluir hasta la primera sección 20a_{1} de
economizador y desde allí hasta la segunda sección 20a_{2} de
economizador o por medio de un conector 21 de derivación hasta el
precalentador 14 de agua de suministro y desde allí hacia el
conector 19 entre la primera sección 20a_{1} de economizador y la
segunda sección 20a_{2} de economizador. La primera sección
20a_{1} de economizador y la segunda sección 20a_{2} de
economizador están conectadas en serie la una con respecto de la
otra.
Antes de la sección 20a_{1} de economizador,
el conector 19 incluye un punto D_{1} de ramificación para un
conector de derivación o un conducto 21 de derivación, con el que la
sección 20a_{1} de economizador, situada primero con respecto al
flujo de agua de suministro, se deriva. Por tanto, dicha sección
20a_{1} de economizador puede derivarse y el agua de suministro
puede conducirse directamente hasta la segunda sección 20a_{2} de
economizador y preferiblemente, a través del precalentador 14 de
agua de suministro. El punto D_{1} de ramificación comprende
ventajosamente una válvula 22 de distribución para el flujo de agua
de suministro, que puede ser una válvula de tres vías, es decir, el
flujo se controla con ella entre la sección 20a_{1} de
economizador y el conducto de derivación, es decir, el conector 21
de derivación. Utilizando la válvula 22, el flujo de derivación de
la sección 20a_{1} de economizador puede controlarse, por tanto,
según se desee para adaptarse a las condiciones de funcionamiento
de la caldera. El conector 19 está conectado de esta manera a la
válvula 22 de distribución que tiene una salida al conector 21 de
derivación, que está conectada al precalentador 14, y una segunda
salida, que está conectada a la primera sección 20a_{1} de
economizador. El conector 21' desde el precalentador 14 está
conectado por medio de un punto D_{2} de ramificación al conector
19 entre las secciones 20a_{1} y 20a_{2} de economizador.
La válvula 22 puede ser una válvula de
encendido/apagado ("on/off") en estructura, de modo que toda la
cantidad de agua de suministro del conector 19 se hace fluir o bien
entre el conector 21 de derivación o bien a través de la sección
20a_{1} de economizador, o la válvula 22 puede ser una denominada
válvula proporcional en estructura, mediante lo cual, cuando
aumenta el flujo de derivación a través del conector 21 de
derivación, se reduce el flujo a través de la sección 20a_{1} de
economizador en una cantidad igual, sin embargo, en un grado en que
parte del flujo pasa a través de la sección 20a_{1} de
economizador, y otra parte del mismo pasa a través del conector 21
de derivación.
Controlando la cantidad de vapor purgado hasta
el precalentador 14 con una válvula 23, la temperatura del agua de
suministro puede regularse de manera intensiva según se desee en
diferentes partes del economizador 20 incluyendo varias partes en
diferentes condiciones de funcionamiento de la caldera 10. En el
precalentador 14, la energía térmica pasa desde el vapor purgado
directamente hasta el agua de suministro o bien indirectamente a
través de un medio, por ejemplo por medio de agua. El precalentador
14 es, por tanto, un intercambiador de calor en el que se
transfiere energía térmica al agua de suministro.
En la figura 2, el ángulo ascendente del
economizador frío cambia como un impacto principal del control. La
derivación se ilustra mediante una gráfica horizontal. La
temperatura del agua de suministro puede controlarse según se desee
en diferentes puntos de las secciones 20a_{1}, 20a_{2} de
economizador. En el lado de entrada de la sección 20a_{1} de
economizador y en el lado de salida del conducto 10a de gas
residual, la temperatura del gas residual se marca mediante
T_{1}' y la temperatura del agua de suministro se marca mediante
T_{1}''. En el lado de salida de la segunda sección 20a_{2} de
economizador y en el lado de entrada del conducto de gas residual,
las marcas de la figura 2 son las siguientes: la temperatura del gas
residual es T_{2}' y la temperatura del agua de suministro es
T_{2}''. El conducto 10a de gas residual puede comprender sensores
de temperatura: un sensor E_{2} de temperatura que mide la
temperatura en el lado de entrada del conducto de gas residual
(mirando en la dirección L_{1} de flujo del gas residual) y un
sensor E_{1} de temperatura que mide la temperatura del gas
residual en el lado de salida del conducto 10a de gas residual.
Además, el aparato puede comprender sensores de temperatura en el
conector del agua 19 de suministro. La temperatura puede medirse a
partir del agua de suministro tras la primera sección 20a_{1} de
economizador, antes de la segunda sección 20a_{2} de economizador
y a partir del agua de suministro tras la segunda sección 20a_{2}
de economizador cuando se mira en la dirección L_{2} de flujo del
agua de suministro. La dirección de flujo del agua de suministro en
el conector 19 se marca mediante la flecha L_{2}.
En el método, en el precalentamiento del agua de
suministro de una turbina de vapor y de su control, el procedimiento
es tal como sigue. El agua de suministro se conduce hacia un
economizador 20 de la caldera 10 de vapor dotada con una cámara K
de combustión, en la que se transfiere calor en un intercambiador de
calor desde los gases residuales hacia el agua de suministro. El
economizador 20 se dispone para estar situado, al menos en parte,
en sus caras térmicas en un conducto 10a de gas residual de la
caldera 10 de vapor. Se utiliza un economizador de al menos dos
partes 20a_{1}, 20a_{2} para calentar el agua de suministro,
estando dichas partes en serie. El agua de suministro precalentada
con la ayuda de vapores purgados se conduce hacia la segunda sección
20a_{2} de economizador y después a un vaporizador 190 y un
sobrecalentador 120 y después, en la forma de vapor, a la turbina
11 de vapor para hacer rotar el generador G y para producir
electricidad. En el método, también se calienta el aire de
combustión con la ayuda de la energía adquirida de vapores purgados.
En el método, se controla la cantidad de derivación del agua de
suministro del economizador 20 con una válvula 22. Además de la
derivación, se controla la cantidad de flujo de vapor purgado que se
hace fluir hasta el precalentador 14 del agua de suministro con una
válvula 23. En el método, la(s) válvula(s) 22 y/o 23
se controla(n) basándose en la medición de la temperatura de
los gases residuales y/o basándose en la medición de la temperatura
del agua de suministro que se hace fluir a través del economizador
20.
Claims (6)
1. Construcción integrada de una caldera de
vapor dotada con una cámara (K) de combustión y una turbina de
vapor, en la que se conduce vapor desde una caldera (10) de vapor a
lo largo de un conector hasta una turbina (11) de vapor para hacer
rotar un generador (G) eléctrico, el agua de suministro que se hace
circular a través de la caldera (10) de vapor se vaporiza en un
vaporizador (190) situado en la caldera (10) de vapor y se
sobrecalienta en un sobrecalentador (120),
el agua de suministro se conduce hacia la
caldera a través de un economizador (20) que actúa como un
intercambiador de calor, en el que se transfiere calor desde los
gases residuales de la caldera hacia el agua de suministro,
el economizador (20) se dota con al menos dos
secciones, que comprenden al menos una primera sección (20a_{1})
de economizador y al menos una segunda sección (20a_{2}) de
economizador, que están en serie
el agua de suministro precalentada con los
vapores purgados de la turbina de vapor se conduce en la caldera
(10) de vapor después hasta un vaporizador (190) y un
sobrecalentador (120) y a través de él, en la forma de vapor, hasta
la turbina (11) de vapor,
caracterizada porque
un conector (19) que conduce hasta las secciones
(20a_{1}, 20a_{2}) de economizador comprende un punto (D1) de
ramificación hasta un conector (21) de derivación de suministro de
agua, de modo que la primera sección (20a_{1}) de economizador
puede derivarse, al menos en lo que se refiere a parte del flujo de
suministro de agua, y porque el punto (D1) de ramificación
comprende una válvula (22) de distribución, con la que el flujo de
suministro de agua puede controlarse entre la primera sección (2001)
de economizador y el conector (21) de derivación y porque la
construcción integrada comprende sensores (E1, E2) de temperatura
que miden la temperatura de los gases residuales o sensores de
temperatura que miden la temperatura del agua de suministro en el
economizador (20) para controlar la válvula (22) de
distribución.
2. Construcción integrada según la
reivindicación 1, caracterizada porque un conector (21) de
derivación está conectado a un precalentador (14) de agua de
suministro y porque desde el precalentador (14) un conector (21')
conduce a través de un punto (D2) de ramificación hasta el conector
(19) entre las secciones (20a_{1}, 20a_{2}) de economizador y
porque el vapor purgado se conduce hasta el precalentador (14) de
agua de suministro desde la turbina (11) de vapor.
3. Construcción integrada según la
reivindicación 2, caracterizada porque el conector (13a_{1 .
1}) que conduce hasta el precalentador (14) de agua de suministro
comprende una válvula (23) para controlar la cantidad de flujo de
vapor purgado hasta el precalentador (14).
4. Método de precalentamiento del suministro de
agua para una turbina de vapor y de su control, en el que
el agua de suministro se conduce hacia un
economizador (20) de una caldera (10) de vapor dotada con una cámara
(K) de combustión, en la que se transfiere calor en un
intercambiador de calor desde los gases residuales hacia el
suministro de agua,
el economizador (20) se dispone para situarse,
mediante sus caras térmicas, al menos parcialmente en un conducto
(10a) de gas residual de la caldera (10) de vapor,
se utiliza el economizador dotado con al menos
dos secciones, concretamente una primera sección (20a_{1}) y una
segunda sección (20a_{2}) para calentar el agua de suministro,
estando dichas secciones en serie una con respecto a la otra,
el aire de combustión se calienta con la ayuda
de la energía obtenida de vapores purgados,
caracterizado porque dicha primera
sección (20a_{1}) puede derivarse con un flujo de derivación,
controlándose la cantidad de dicho flujo de derivación del agua de
suministro del economizador (20) con una válvula (22) y porque la
válvula (22) se controla basándose en la medición de la temperatura
de los gases residuales y/o del agua de suministro que se hace
fluir a través del economizador (20).
5. Método según la reivindicación anterior,
caracterizado porque además del flujo de derivación, la
cantidad de flujo de vapor purgado que se hace fluir hacia el
precalentador (14) de agua de suministro en el conector (21) de
derivación se controla con una válvula (23) y porque desde el
precalentador (14) se proporciona un conector (21') por medio de un
punto (D2) de ramificación para estar en la línea (19) entre las
secciones (20a_{1}, 20a_{2}) de economizador.
6. Método según la reivindicación 5,
caracterizado porque, en el método, la válvula (23) se
controla basándose en la medición de la temperatura de los gases
residuales y/o del agua de suministro que se hace fluir a través
del economizador (20).
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