Cap 3.3 Control de nivel de agua de alimentación de calderas

04 Diciembre 2009

Consideraciones sobre las medidas

 

La medida del nivel de calderín suele hacerse mediante transmisores de presión diferencial (Figura 3-14). Esta medida está basada en la diferencia de presión generada por las dos columnas conectadas al transmisor.

La primera es una columna fija o de referencia que mantiene una altura constante. La segunda será la columna de agua y de vapor existente en el calderín.

 

Figura 3-14. Medida del nivel del calderín

Figura 3-14. Medida del nivel del calderín

 

La presión en el lado de alta del transmisor vendrá dada para los niveles mínimo y máximo por:

 

Pnmin=Pc+h3*dr+h2*da+(h0-h2)*dv Pnmax=Pc+h3*dr+h1*da+(h0-h1)*dv

 

Y la de la columna de referencia por:

 

Pcr=(h3+h0)*dr

 

De forma que la calibración para el 0% será de Pnmin-Pcr y la del 100% de Pnmax -Pcr. Nótese, que el resultado de esta calibración será de –x a –y. Esto se debe a que se suele preferir que la señal del transmisor aumente con el nivel.

 

El transmisor se calibrará de forma que su rango transmita un margen de trabajo en torno al nivel normal para unas condiciones de operación nominales. Como consecuencia, el peso de la columna de nivel variará si las condiciones de presión en el calderín varían, al modificar éstas la densidad del agua y del vapor. Esta variación de la densidad es mayor cuanto mayor es la presión de operación de trabajo. Debido a esto, la medida de nivel para el control se suele corregir para presiones superiores a 35 bares (Figura 3-15). La presión del calderín con la caldera en operación se mantiene constante, y las variaciones en dicha presión vendrán dadas por los cambios de carga, que con un control de combustión correctamente ajustado no serán de una magnitud excesiva.

 

Esto conlleva que el cambio en la densidad tampoco será muy grande para las calderas que trabajen a presiones no muy altas, y por tanto no habrá un error muy grande en la medida de nivel. Sin embargo, trabajando a presiones altas o por supuesto a presión variable o deslizante, esta modificación de la densidad si puede introducir errores apreciables en la medida de nivel.

 

Figura 3-15. Corrección del nivel por presión

Figura 3-15. Corrección del nivel por presión

 

Algo similar ocurre con las medidas de caudal de vapor y agua. Cuando dichas mediciones están basadas en medida de presión diferencial, ésta a su vez está fijada en unas condiciones de presión y temperatura. Cuando estas condiciones son modificadas, las mediciones deben ser corregidas al modificarse la densidad del fluido y por tanto la masa de éste. En el caso del vapor, la corrección debe ser hecha por presión y temperatura al influir ambas variables en la densidad de éste. En el caso del agua suele ser menos habitual dicha corrección, y sólo cuando puedan existir grandes variaciones en su temperatura, ésta se usa como factor de corrección, al poder considerarse el agua un fluido incompresible y por lo tanto no influido por la presión.

 

 

Objetivo

 

Los principales objetivos del control de nivel en una caldera son los siguientes:

 

1.      Controlar el nivel en el valor deseado.

2.      Minimizar la interacción con el control de combustión.

3.      Crear suaves cambios en el agua almacenada ante los cambios de carga.

4.      Equilibrar adecuadamente la salida de vapor con la entrada de agua.

5.      Compensar las variaciones de presión del agua de alimentación sin perturbar el proceso ni modificar el punto de operación.

 

Particularmente importante es el minimizar la interacción con el control de combustión. Esta interacción se acentúa con el suministro desigual de agua de alimentación, que afecta a la presión de vapor y que conlleva modificaciones en la demanda de fuego sin existir variaciones en la demanda de vapor. Estas variaciones en el fuego de la caldera producen a su vez incrementos y decrementos en la presión con las consiguientes perturbaciones en el calderín que acentúan el problema.



Filosofía del control

 

El control de nivel de una caldera tiene varias particularidades debido su especial comportamiento. Las principales son el esponjamiento y la contracción que se producen en el nivel ante los cambios de carga de vapor, y que modifica el nivel en la dirección opuesta a la que intuitivamente se espera que ocurra ante dicho cambio de carga. Así, ante un incremento en la demanda de vapor, el nivel en lugar de disminuir al extraerse más vapor, se incrementa temporalmente debido a la disminución de la presión provocada por el aumento de consumo. Esta disminución en la presión provoca un aumento en la evaporación y en el tamaño de las burbujas de vapor (esponjamiento) que hace aumentar el nivel. Por el contrario, ante una disminución en la carga, en lugar de producirse un aumento en el nivel debido a la disminución del caudal de vapor, se produce una disminución debida al aumento de la presión.

 

Esta origina una menor evaporación y un menor tamaño en las burbujas de vapor (contracción) que hace disminuir el nivel.

 

Figura 3-16. Relaciones deseadas agua-vapor

Figura 3-16. Relaciones deseadas agua-vapor

 

Para lograr los objetivos básicos mencionados, existe un patrón que indica la relación deseable entre el caudal de agua, de vapor y el nivel del calderín (Figura 3-16). Cuando se incremente el caudal de vapor, se incrementará el caudal de agua si no se ha producido un esponjamiento en el nivel. Un incremento en el nivel producirá un decremento en el caudal de agua si no se ha incrementado el caudal de vapor.

 

Si la influencia del nivel del calderín es muy grande, se producirá una disminución en el caudal de agua, que provocará finalmente que el nivel sea excedido para poder aportar esa pérdida de agua. Si la influencia del caudal de vapor es muy grande, el incremento inicial de aportar más agua, mantendrá por más tiempo el nivel por encima de su punto de consigna (Figura 3-17).

 

Figura 3-17. Influencias del nivel y del caudal de vapor

Figura 3-17. Influencias del nivel y del caudal de vapor

 

La acción correctora adecuada sería la mostrada en la Figura 3-16 en la que el caudal de agua no cambia inmediatamente, sino gradualmente para acompañar al caudal de vapor una vez que el nivel ha vuelto a su punto de trabajo tras el transitorio.

 

 

Control a un elemento

 

Por todo lo indicado, el típico control de nivel de un elemento que mide la variable y regula el caudal de aportación o extracción mediante un controlador PI no es el adecuado para el calderín de una caldera, aunque en aquellas calderas pequeñas en las el calderín es relativamente grande, y en donde los cambios de carga se producen de una manera lenta, de forma que la presión en el calderín no se ve muy afectada por dichos cambios, se puede implementar este tipo de control de un elemento como se muestra en la Figura 3-18.

 

En el ajuste de este lazo debe tenerse en cuenta que, aunque para lograr una regulación mejor el valor de la ganancia puede tener que ser grande, esto contribuiría a una mayor interacción entre el control de nivel y el control de combustión (Figura 3-19). Por otra parte, el ajuste de la acción integral en el lazo debe ser lento puesto que en los cambios de carga el control se mueve en la dirección opuesta. Sin embargo, el incluir la acción integral nos permitirá disminuir la ganancia minimizando la interacción con el control de combustión.

 

Figura 3-18. Control de nivel a un elemento

Figura 3-18. Control de nivel a un elemento

 

El elemento final de control debe tener una relación lineal con la señal de control puesto que las desviaciones en torno al punto de consigna representan cantidades, de agua específicas para toda la carga de caldera. Si este elemento final es una válvula de control, la señal de apertura debe ser lineal respecto al caudal entregado por la válvula. En el caso de que sea una bomba de velocidad variable, se caracterizará la señal para conseguir dicha relación lineal.

 

 

Control a dos elementos

 

El diseño del control a dos elementos se muestra en la Figura 3-20. En ella puede observarse el típico control feedback más feedforward.

 

Figura 3-19. Interacción con el control de combustión

Figura 3-19. Interacción con el control de combustión

 

Figura 3-20. Control de nivel a dos elementos

Figura 3-20. Control de nivel a dos elementos

 

El caudal de vapor es la señal índice que anticipa una variación en las necesidades de aportación de agua, de forma que se establecerá una relación entre éste y la posición de la válvula. Por otra parte, para el correcto funcionamiento de esta estrategia, es imprescindible que la relación entre la posición del elemento de control y el caudal aportado por éste no cambie y sea conocida, de forma que para unas condiciones de demanda de vapor dadas, sepamos en qué posición se ha de situar el elemento de control. Con este diseño, los objetivos expuestos anteriormente se cumplen, a excepción del de variaciones en la presión de suministro del agua de alimentación, puesto que esto haría que la relación entre posición y caudal variase.

 

Como hemos comentado, la respuesta deseada ante un cambio de carga es que se mantenga el caudal de agua hasta que el nivel empieza a retornar a su punto de trabajo, de forma que la cantidad de agua se ajusta suavemente al nuevo valor requerido.

 

Puesto que en este diseño ante un aumento en el caudal de vapor, éste pedirá más agua al tiempo que el nivel hará lo contrario, el ajuste adecuado de las ganancias de estas acciones nos permitirá evitar cambios inmediatos en la cantidad de agua y cumplir con el requisito expuesto anteriormente y mostrado en la Figura 3-16. Así, teniendo en cuenta la relación entre el vapor y la posición de la válvula, y la magnitud del esponjamiento ante un cambio en el caudal, se ajustará la ganancia del regulador de nivel para que su salida compense exactamente el incremento habido en aquél.

 

Figura 3-21. Efecto de la presión de suministro en dos elementos

Figura 3-21. Efecto de la presión de suministro en dos elementos

 

 

Como hemos comentado ya, aunque este diseño cumple con la mayoría de los objetivos requeridos para un correcto control del agua de alimentación, tiene un gran inconveniente al no ser capaz de absorber las modificaciones en la presión de suministro. El efecto que la variación de la presión de suministro produce queda reflejado en la Figura 3-21. Esto conduce a que el nivel desarrolla una compensación para mantener la relación agua-vapor. Cuando la presión en el agua de alimentación es variable, o existen otros motivos que hagan la relación entre la posición del elemento de control y el caudal aportado impredecible, es necesario usar un control a tres elementos.

 

 

Control a tres elementos

 

Hemos visto que en el control a dos elementos se utilizaban el nivel y el caudal de vapor. Para conseguir un control de tres elementos añadiremos la medida del caudal de agua de alimentación. Con ello, solucionaremos los problemas planteados con anterioridad sobre la necesidad de repetibilidad en el elemento final. Hay diversas formas de configurar un control a tres elementos. Aunque la más extendida es la mostrada en la Figura 3-22, podemos ver otra alternativa en la Figura 3-23.

 

Figura 3-22. Control de nivel a tres elementos

Figura 3-22. Control de nivel a tres elementos

 

La primera alternativa surge directamente del control a dos elementos. La señal que se enviaba al elemento de control, se usa ahora como consigna de un regulador de caudal en cascada, eliminándose la influencia de la presión de suministro. La segunda alternativa incluye también un regulador en cascada, pero en este caso la salida del regulador de nivel marcará las necesidades de exceso o defecto de agua con relación al vapor, siendo la diferencia entre los caudales de éstos la variable de proceso del regulador de caudal.

 

Figura 3-23. Alternativa control de nivel a tres elementos

Figura 3-23. Alternativa control de nivel a tres elementos

 

Las dos configuraciones vistas pueden presentar problemas a bajas cargas por las limitaciones de las medidas de caudal. Una solución muy extendida para este problema, es la conmutación del control de agua de alimentación de uno a tres elementos de forma automática a partir de un caudal mínimo de vapor que suele estar entorno al 20%, valor para el cual las medidas son más fiables (Figura 3-24).

 

En el ajuste del lazo típico de tres elementos se seguirán las pautas indicadas anteriormente en el de dos para el ajuste del regulador de nivel y el caudal de vapor. El ajuste del regulador de caudal se hará mediante el procedimiento habitual para cualquier lazo de este tipo.

 

Figura 3-24. Control a uno y tres elementos

Figura 3-24. Control a uno y tres elementos

 

Adecuadamente ajustado, el funcionamiento de un  control  de nivel  a  tres elementos debería tener una apariencia similar a la de la Figura 3-25.

 

Como se observa, las variaciones en la presión del agua de alimentación son absorbidas por la acción del regulador secundario. Cuando estas variaciones sean de un rango tan importante que puedan complicar el ajuste de dicho regulador secundario, sería adecuado modificar la ganancia de éste en función de la presión del suministro para conseguir las mismas respuestas en caudal para las distintas condiciones de presión. Esto nos incluiría un cuarto elemento en el lazo como se muestra en la Figura 3-26.

 

Figura 3-25. Respuesta del control de tres elementos

Figura 3-25. Respuesta del control de tres elementos


Figura 3-26. Ganancia variable por presión de suministro

Figura 3-26. Ganancia variable por presión de suministro

 

Otra posible causa para la utilización de un cuarto elemento en el lazo, es el caso en que la purga continua de la caldera pueda tener una magnitud relevante con relación al caudal de vapor. Este hecho generaría la introducción de un desajuste permanente en el regulador de nivel, que compensaría la desviación entre las medidas de caudal. Para evitarlo se introducirá el caudal de purga como se indica en la Figura 3-27.

 

Figura 3-27. Inclusión del caudal de purga

Figura 3-27. Inclusión del caudal de purga

 

En calderas en las que los cambios de carga son muy rápidos, se puede afinar el equilibrio agua-vapor mediante el uso de la presión del calderín. El equilibrio agua-vapor que hemos visto, está basado en la medida de vapor principal que sale de la caldera. Esta medida no considera lógicamente el vapor generado o sustraído a la caldera, que contribuye al aumento o disminución de la presión. Sin embargo, la generación de este vapor conlleva un consumo de agua. Este vapor se puede indicar mediante la derivada de la presión del calderín como se muestra en la Figura 3-28.

 

Figura 3-28. Alternativa a la medida de caudal de vapor

Figura 3-28. Alternativa a la medida de caudal de vapor

 

Una variación de este diseño se utilizará en el caso de que la caldera opere en presión deslizante o variable. La densidad del agua en el calderín varía con la variación de presión y por lo tanto la relación entre la derivada de la presión del calderín y el caudal de vapor expuesta anteriormente queda también modificada. Para tener esto en cuenta se puede multiplicar la derivada por el cuadrado de la presión de forma que la relación se mantiene para el rango de presión de operación (Figura 3-29).

 

La operación con presión variable también modifica la densidad de la mezcla agua vapor en circulación por la caldera. Dicha circunstancia puede modificar de forma notable el comportamiento de la caldera en cuanto a sus reacciones de esponjamiento y contracción, por lo que pudiera ser necesario el reajuste de la ganancia del controlador de nivel de acuerdo con la presión de operación.

 

Figura 3-29. Alternativa para presión deslizante

Figura 3-29. Alternativa para presión deslizante

 

Enclavamientos

 

En el control a tres elementos, cuando el controlador secundario está en manual o en modo local (si existe) el primario debe estar en manual. Otra opción es mantener el controlador primario en modo seguimiento de forma que su salida sea igual a la variable de proceso del secundario, de forma que el paso a automático o a consigna remota del secundario haga entrar en control directamente al primario.

 

Si el primario está en manual el secundario se pasará o no a manual dependiendo si se permite o no el control con consigna local en el secundario.En el caso del control mixto de uno y tres elementos, además de lo indicado anteriormente se debe enclavar el cambio automático de los dos modos de operación con la señal de caudal de vapor > 20%. La salida al elemento de control del modo no seleccionado debe estar en modo seguimiento de la que está seleccionada para que los cambios entre ambos modos de operación se produzcan sin saltos. Cuando es la salida de la regulación de tres elementos la que está en modo seguimiento, la salida de su regulador primario estará siguiendo a la variable de proceso del secundario, para que todo el lazo esté preparado para entrar en control.

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado Ingeniero Electrónico especializado en Control, Automatizacion e Instrumentacion Industrial. Experimentado en el desarrollo, ejecución y gestión de proyectos asi como en la Operacion de sistemas automaticos.

Cualquier consulta hacerla en el Grupo de Facebook https://www.facebook.com/instrumentacionycontrol.net/ (unico medio para consultas)

Sitio Web: https://www.linkedin.com/in/josevillajulca/ Email Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.