Cap 1.3 Control de Calderas Industriales

17 Noviembre 2009

 

Hemos visto en el esquema básico de una caldera que existen dos sistemas principales, el de agua-vapor y el de combustible-aire-gases.

Este segundo sistema, por motivos de claridad en la exposición, lo dividiremos a su vez en el sistema de combustibles y en el de aire-gases. Los sistemas que a continuación detallamos están desarrollados principalmente desde el punto de vista del control, por lo que aunque no sólo se representa aquella instrumentación necesaria para el correcto funcionamiento de aquél en su operación continua o de seguridades, la instrumentación local, valvulería manual, filtros, drenajes, etc., que se incluye puede no ser completa.

 

 

1.3.1   Sistema agua-vapor

 

En la Figura 1-9 podemos observar el circuito agua-vapor de una caldera acuotubular con calderín. En él se han diferenciado los instrumentos propios del sistema de control continuo de los de seguridades marcando mediante una circunferencia aquéllos y un rombo éstos, inscritos en un cuadro.

 

En este circuito podemos observar como el agua de alimentación, a las condiciones de presión y temperatura adecuadas, procedente del sistema de bombeo es suministrada al calderín a través de un economizador en el cual se incrementa su temperatura. El vapor saturado generado se separa en el calderín y al salir de él es enviado a un sobrecalentador primario en donde se eleva parcialmente su temperatura. Este vapor ya sobrecalentado es atemperado antes de enviarlo a un sobrecalentador final tras el cual es suministrado a los consumidores existentes.

 

Se muestra también el circuito de vapor a los sopladores. Este vapor se tomará dependiendo de la instalación de diferentes sitios.

 

Las variables que hay que vigilar en este circuito desde el punto de vista de las seguridades de la caldera serán las siguientes:

 

a) Al ser una caldera de nivel de agua definido debe existir protección al menos por bajo nivel, a fin de impedir que los tubos de caldera sufran daños debido a la falta de refrigeración. En algunos casos, dependiendo de la caldera o del uso del vapor, existe protección por alto nivel para evitar que el agua pueda pasar al sobrecalentador o contaminar el vapor hacia posibles turbinas. Para la medida del nivel se representan transmisores de presión diferencial (LT), cuya lectura debe ser corregida por la presión del calderín al influir ésta en la densidad del agua, y por lo tanto en una medición de este tipo.

 

Figura 1-9. Circuito agua-vapor

Figura 1-9. Circuito agua-vapor (Click en la Imagen para agrandar)


b) La caldera es un aparato a presión, por lo que está sujeta al reglamento de aparatos a presión (RAP) vigente en España. El RAP exige el corte de la aportación calorífica cuando la presión del calderín excede un valor establecido. Dicho valor debe estar por debajo del valor fijado para el disparo de la primera válvula de seguridad del calderín. Estas mediciones se representan mediante transmisores de presión (PT).


Las variables a controlar para mantener una producción de vapor continua en las condiciones deseadas serán las siguientes:


a) Al ser una caldera de nivel de agua definido, éste debe mantenerse en su nivel normal de operación para conseguir un funcionamiento adecuado de la caldera. Para conseguir este objetivo se medirán: el nivel (LT), la presión (PT) para la corrección de aquél si fuese necesario, el caudal de agua de alimentación (FT) y el caudal de vapor (FT). Estas medidas de caudal deben ser corregidas, por temperatura y por presión y temperatura respectivamente si su medición está basada en la presión diferencial y existen importantes variaciones en estas variables. La cantidad de agua aportada en cada momento se manipulará mediante una válvula de control (LV).


b) El vapor que se produce debe mantenerse en unas condiciones óptimas de presión y temperatura, por lo cual se tomarán medidas de la presión final del vapor sobrecalentado (PT) y de su temperatura (TT). La presión se mantendrá en el valor deseado mediante la aportación del combustible necesario. Para mantener la temperatura de vapor adecuada se usará una válvula de control (TV) que añadirá el agua de atemperación requerida. Dicha válvula se instalará entre las dos etapas de sobrecalentamiento. Finalmente, por motivos de control que se verán más adelante se medirá la temperatura (TT) del vapor a la salida de la primera etapa de sobrecalentamiento.


c) El circuito de vapor para el sistema de sopladores incluye una válvula de corte que permite el paso o no del vapor, de una válvula de drenaje que se usa para evacuar el condensado así como para realizar el calentamiento de la línea, y de una medida de presión (PT) y otra de temperatura (TT) que se utilizan como seguridades de este sistema.


 

1.3.2   Sistema aire-gases


Un típico circuito aire-gases de una caldera de tiro forzado lo podemos ver en la Figura 1-10. Se han diferenciado los instrumentos propios del sistema de control continuo de los de seguridades de igual forma a como se hizo en el caso anterior.


En este circuito podemos observar como el aire es impulsado por el ventilador de tiro forzado que tras pasar por la caja de aire y los registros de los quemadores, en donde se produce la turbulencia necesaria para una combustión correcta, se introduce en el hogar. Una vez en él y tras producirse la combustión, los gases abandonan el hogar para pasar por el economizador y entregar parte de su calor antes de alcanzar la chimenea.

 

Figura 1-10. Circuito aire gases

 

Figura 1-10. Circuito aire gases (Click en la Imagen para agrandar)

 

 

Las variables que hay que vigilar en este circuito desde el punto de vista de las seguridades de la caldera serán las siguientes:

 

a)  Una de las variables más importantes con relación a la seguridad es el caudal de aire de combustión que se está suministrando al hogar. Para asegurarnos que este suministro es continuo y mayor que un mínimo, se supervisará que el ventilador de tiro forzado está en servicio (señal que se obtendrá desde el contactor del ventilador) y que el caudal de aire de combustión no es bajo (FT). Adicionalmente, se obtendrá de ésta medida el caudal mínimo necesario para realizar una purga de la unidad correcta antes de su encendido. Esta medida debe corregirse cuando existan grandes variaciones de la temperatura del aire si está basada en presión diferencial.

 

b) Al estar el hogar diseñado para soportar una presión determinada, se debe proteger éste por alta presión (PT) para evitar posible deformaciones de la envolvente. Si la caldera fuera de tiro inducido la protección debiera ser por depresión y si fuese de tiro equilibrado por ambas causas.


c)  Al existir una compuerta o álabes de entrada al ventilador para su modulación, se debe disponer de las posiciones de cerrado, para su arranque y de abierto para la supervisión de su correcto posicionamiento tras establecerse el máximo tiro natural en caso de pérdida del ventilador. Si existiesen más compuertas en el circuito, o en el caso de registros de aire, será necesaria al menos la indicación de abierta de cada una de ellas para la determinación del tiro natural.


Las variables a controlar para mantener un caudal de aire adecuado que garantice una correcta combustión en las mejores condiciones de eficiencia y seguridad serán las siguientes:


a) Al ser una caldera capaz de operar a distintas cargas entre un mínimo y un máximo, el caudal de aire de combustión deber ser ajustado a la cantidad adecuada para la cantidad de combustible que se está suministrando. Para ello se necesitará la medida de caudal de aire (FT) y un actuador sobre los álabes de entrada del ventilador al objeto de poder modificar su apertura y por tanto la aportación de caudal. Si las condiciones de temperatura del aire pueden variar sensiblemente es aconsejable la medición de la temperatura (TT) de éste para la corrección de la medida de caudal de aire si la medida de éste se obtiene mediante una lectura de presión diferencial.


b) A fin de que la combustión sea lo más eficaz posible, manteniendo el exceso de aire lo más bajo posible, se medirá el exceso de oxígeno existente en los gases.


c) Dependiendo del tipo de quemadores que se usen, los registros de aire de éstos pueden o no tener que ser modulados, de acuerdo con la carga, para generar las turbulencias necesarias para una buena combustión. En este caso se necesitará un actuador que modifique su posición.

 

 

1.3.3   Sistema combustibles


En la Figura 1-11 se ha representado el circuito de combustibles de una caldera de cuatro quemadores mixtos para fuel oil y gas natural. Los ignitores se han supuesto de gas natural también. Se han diferenciado los instrumentos propios del sistema de control continuo de los de seguridades como en los casos anteriores.


Los circuitos que se muestran están basados en el estándar NFPA 8502 para calderas de múltiples quemadores.


En este circuito podemos observar la distribución de los combustibles para los cuatro quemadores existentes. La línea de gas, al usarse como combustible de los quemadores principales y del ignitor, se ramifica en dos líneas, una para cada propósito. Cada una de estas líneas a su vez se ramifica en cuatro, yendo cada rama a cada uno de los quemadores y terminando en un venteo que permite la despresurización del colector. Las líneas de fuel oil y de vapor de atomización, necesario para la correcta atomización de este combustible, igualmente se ramifican en cuatro, una rama para cada quemador, existiendo una línea de recirculación que permite el acondicionamiento del fuel oil a sus condiciones de operación.


Desde el punto de vista de la seguridad, en el circuito de combustibles no sólo se deben tener en cuenta que las variables críticas de éstos se han de mantener dentro de los límites necesarios, sino que además al ser necesaria la seguridad del cese del aporte del combustible, será necesaria la instalación de una serie de válvulas que aseguren dicho cese en los momentos requeridos, bien individualmente por quemador, bien globalmente por combustible. Por ello deberán existir las siguientes válvulas de corte:


a)      Ignitores. Se instalará una válvula general de corte, con su correspondiente válvula de venteo en el colector, y dos válvulas de corte en serie, con su venteo intermedio, para cada uno de los ignitores.


b)      Quemadores de gas. Se instalarán las mismas válvulas que en los ignitores, existiendo además, en paralelo con la válvula de corte principal una pequeña válvula de carga del colector al objeto de poder realizar el test de fugas de éste. Todas las válvulas de este sistema han de tener al menos indicación de posición cerrada. En el caso de los venteos esta indicación se suele sustituir por la de abierta.


c)      Quemadores de fuel oil. Se instalará una válvula de corte general así como una válvula de retorno o recirculación para permitir alcanzar al combustible sus condiciones adecuadas de operación. En paralelo con la válvula general de corte se instalará una pequeña válvula de circulación al objeto de permitir efectuar el test de fugas, así como circular el combustible para su adecuación.

 

Figura 1-11. Circuito combustibles

Figura 1-11. Circuito combustibles  (Click en la Imagen para agrandar)

 

 

 

 

 

 

 

Adicionalmente, existirá una válvula de corte individual por cada quemador. Todas las válvulas de este circuito han de tener indicación de cerradas. Además, al ser habitualmente las lanzas de los quemadores de fuel oil desmontables en operación para su correcto mantenimiento, se suelen instalar finales de carrera en ellas que indiquen su posición de acopladas.

 

Por otra parte, las variables que hay que vigilar en este circuito, desde el punto de vista de las seguridades de la caldera serán las siguientes:

 

a) Presión de gas a ignitores (PT) no baja y no alta que asegure la correcta combustión.

 

b) Presión de gas a quemadores (PT) no alta y no baja que asegure la correcta combustión y el no sobrepasar la aportación máxima de este combustible.

 

c) Presión de fuel oil a quemadores (PT) no baja que asegure la correcta combustión. Es aconsejable vigilar también la presión no alta para asegurar que no se excede la máxima aportación.

 

Temperatura de fuel oil (TT) no baja que asegure que el combustible tiene el grado de viscosidad adecuado para su correcta combustión. Es aconsejable también vigilar la temperatura no alta que puede provocar gasificaciones del combustible.

 

e)  Presión diferencial fuel oil- vapor (PT junto con PT de combustible) no baja que asegure la correcta atomización del combustible.

 

f)  Existencia de llama (BE) que asegure que el combustible que se introduce en el hogar está siendo quemado.

 

Las variables a controlar para mantener un caudal de combustible adecuado, para la carga de caldera existente en cada momento, serán las siguientes:

 

a) Gas natural. Para poder modular correctamente la aportación de gas natural de acuerdo con la carga de caldera se necesitará la medida de caudal de gas (FT) y una válvula de control (FV) al objeto de poder modificar la aportación de caudal. Si las condiciones de presión y temperatura del gas pueden variar sensiblemente, es aconsejable la medición estas variables para la corrección de la medida de caudal de gas si la medida de éste se obtiene de una lectura de presión diferencial. También se suele instalar, en paralelo con la de control principal, una válvula de control (PV) para asegurar la mínima presión a quemadores (PT), especialmente durante las secuencias de encendido y apagado de éstos.

 

b) Fuel oil. Para poder modular correctamente la aportación de fuel oil de acuerdo con la carga de caldera se necesitará, la medida de caudal de fuel oil (FT) y una válvula de control (FV) al objeto de poder modificar la aportación de caudal. Si las condiciones de temperatura del fuel oil pueden variar sensiblemente es aconsejable la medición de estas variables para la corrección de la medida de caudal por temperatura si ésta se obtiene de una lectura volumétrica. Al igual que en el caso anterior, se suele instalar, en paralelo con la de control principal, una válvula de control (PV) para asegurar la mínima presión a quemadores (PT), especialmente durante las secuencias de encendido y apagado de éstos.

 

c) Vapor de atomización. Para poder atomizar correctamente a distintas cargas de fuel oil hay que asegurar una presión diferencial vapor-fuel oil constante, para lo cual se necesitará la medida de dicha presión diferencial (PDT) y una válvula de control de vapor (PDV) que modifique el caudal de vapor de atomización para mantener dicha presión diferencial.

 

 

1.3.4   Sistemas auxiliares


En la Figura 1-12 se muestra un circuito típico de agua de alimentación. En él, el agua/condensado se mezcla con vapor en el desgasificador para liberar al agua de los gases disueltos que lleve. Esta agua ya desgasificada se envía a la caldera a través de un sistema de bombeo.

 

También se muestra en esta figura el circuito de purga de la caldera. El agua del calderín se envía al tanque presurizado de purga continua, donde hace de sello para poder enviarla al de purga intermitente, que es atmosférico.

 

Aunque ninguna de las variables de este circuito influye de forma directa en las seguridades de la caldera, si cabe considerar la medida de nivel del desgasificador (LT) para la seguridad de rebose por alto nivel y para la de arranque de las bombas por bajo nivel.

 

Las variables a controlar para el correcto funcionamiento del desgasificador y el tanque de purga continua serán:

 

a) Desgasificador. Para mantener un nivel adecuado de agua que garantice un suministro continuo de agua a la caldera, es necesario la lectura de dicho nivel (LT) y una válvula de control (LV) que nos permita modificar la aportación de acuerdo con las necesidades. Por otra parte, para poder mantener la presión en el valor de trabajo que asegure la desgasificación, se necesita una medida de presión (PT) y una válvula de control (PV) que modifique la aportación de vapor.

 

b) Tanque de purga. Para mantener un nivel de agua estable que mantenga un sello de agua, necesitaremos una medida del nivel (LT) del tanque y una válvula de control que module el caudal de desagüe (LV).

 

En la Figura 1-13 se muestra un circuito de preparación de fuel oil. En él, el fuel oil del tanque se bombea a través de unos calentadores, en donde incrementará su temperatura hasta la de operación, al circuito de combustible de los quemadores.

 

Figura 1-12. Circuito de agua de alimentación y purga Curso de control de calderas

 

Figura 1-12. Circuito de agua de alimentación y purga (Click en la Imagen para agrandar)

 

 

Figura 1-13. Circuito de preparación fuel oil

Figura 1-13. Circuito de preparación fuel oil (Click en la Imagen para agrandar)

 

 

Las variables a controlar para el correcto funcionamiento de este circuito serán:

 

a) A fin de mantener la presión de suministro de fuel oil en su punto de funcionamiento, se necesitará la medida de ésta a la salida del circuito (PT) y una válvula de control (PV) en un retorno hacia el tanque que permita modificar este caudal.

 

b) A fin de mantener la temperatura, se necesitará la medida de ésta (TT) y una válvula de control (TV) que modifique el caudal de vapor a través de los calentadores y por tanto la temperatura del fuel oil.

 

 

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 8 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo a mi email.

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