Cap 3.5 Control de la demanda de una caldera

10 Diciembre 2009

 

Objetivo

 

El objetivo de este lazo es generar una señal de demanda de carga para los quemadores que mantenga el equilibrio entre la energía entregada y suministrada por el sistema.

Al mantener este equilibrio se asegurara una producción de vapor en las condiciones de operación necesarias para todo el rango de funcionamiento.

 

 

 

Filosofía del control

 

La demanda de una caldera la generan los usuarios del vapor. Cuando los consumidores abren sus válvulas demandando más vapor (energía), el aumento en el caudal provoca que la presión de éste caiga. La magnitud de la caída de la presión depende del volumen de agua, del de vapor, de la magnitud del cambio en la demanda y de la demanda en sí. El colector de vapor es el punto en el que se establece el equilibrio entre la energía demandada por los usuarios del sistema y la energía entregada al sistema por el combustible y el aire.

 

Para un caudal de vapor dado, que la presión en el colector permanezca constante indicará que existe un equilibrio entre la energía suministrada y la demandada. Por otra parte, podremos decir que existe una relación 1:1 entre el caudal de vapor y de energía sólo cuando las condiciones de presión y temperatura del vapor no sufren variaciones considerables. Sobre estas premisas se puede establecer lo siguiente:

 

- La demanda de vapor = caudal de vapor + error en presión.

- El suministro = combustible + aire + agua + el cambio de energía almacenada en el sistema.

- El consumo = vapor de los consumidores.

- El punto de balance será el colector de vapor.

- La presión se mantendrá en su consigna cuando el consumo sea igual al suministro siendo constante la energía almacenada.

- Un aumento en la presión significará que el suministro es superior al consumo.

- Un descenso en la presión significará que el consumo es superior al suministro.

 

 

Control a un elemento

 

La estrategia de control más simple para generar la demanda de carga es un lazo PI simple como el que se muestra en la Figura 3-38.

 

Figura 3-38. Control de demanda de carga

Figura 3-38. Control de demanda de carga

 

La variable de proceso del controlador será normalmente la presión de vapor en el colector, pues como se ha dicho es indicativa del equilibrio de energía, aunque en algunas instalaciones ésta puede ser sustituida por el caudal de vapor. El objetivo de este cambio es que la caldera suministre una cantidad de vapor fija mientras otras calderas al mismo colector mantienen la presión. También se puede establecer un control alternativo, basado bien en caudal bien en presión, mediante la implementación de una función de transferencia manipulable por el operador (Figura 3-39).

 

La salida del controlador es lo que se llama demanda de carga o de fuego y su correcta generación es de vital importancia al ser ésta la señal master que usarán los controles de aire y combustible. Por este motivo, a este regulador se le suele llamar Master. Por la importancia que tiene sobre el rendimiento y el buen funcionamiento de la caldera, se suelen usar otras configuraciones más complejas que proporcionan señales de carga más precisas, lo que conlleva mejoras en el control de la presión del vapor.

 

Figura 3-39. Control de demanda alternativo caudal-presión

Figura 3-39. Control de demanda alternativo caudal-presión

 

 

Control a dos elementos

 

El uso de una estrategia de control feedforward más feedback es muy corriente. El diseño más habitual en este tipo de estrategia se muestra en la Figura 3-40.

 

Figura 3-40. Control de demanda a dos elementos

Figura 3-40. Control de demanda a dos elementos

 

El caudal de vapor se usa como señal índice de la demanda de carga y marcará directamente la demanda de combustible necesaria en cada momento, de forma que ante una variación en el caudal la demanda de carga se situará en el correcto punto de funcionamiento para las nuevas condiciones. Como resultado, cualquier variación en la demanda de vapor tendrá una respuesta inmediata en la aportación de combustible al sistema. Esto producirá una pérdida de energía almacenada menor, que consecuentemente se traducirá en una menor pérdida de presión del sistema.

 

La presión del vapor se usa como realimentación del regulador master, cuya salida proporciona el necesario exceso/defecto de fuego para el ajuste de la energía almacenada, modificada durante los cambios en la carga. Puesto que el peso en la señal de demanda de carga de la salida del regulador no tiene esencialmente efecto en condiciones de régimen permanente, el controlador será de naturaleza principalmente proporcional, aunque la imposibilidad de obtener un índice perfecto obligará al uso de una pequeña acción integral.

 

Nótese, que el caudal de vapor debe ser la suma ponderada, de acuerdo con su capacidad, de los caudales de vapor de todas las calderas involucradas en el control, de forma que la señal represente correctamente la necesidad total de energía.

 

Una alternativa a este esquema es aquélla en que las señales de caudal y presión de vapor intercambian sus funciones como se muestra en la Figura 3-41.

 

Figura 3-41. Alternativa de control de demanda a dos elementos

Figura 3-41. Alternativa de control de demanda a dos elementos

 

 

En este caso la derivada de la señal de caudal se ajustará para proporcionar el exceso/defecto de fuego deseado en los transitorios, mientras que el regulador de presión proporcionará la señal necesaria durante el régimen permanente.

 

Aunque la elección de un diseño u otro depende del usuario, cabría indicar que esta segunda alternativa sería más adecuada en los casos en que exista una caída de presión alta entre el colector y la caldera.

 

En estos casos, ante un aumento en la demanda de vapor, la caída de presión en el colector será aún mayor debido al déficit de presión sufrido también en la caldera. Por un lado existirá una caída de presión debida a que el consumidor desea más vapor, y por otro lado existirá un déficit de presión en la caldera, pues para poder entregar el nuevo caudal será necesaria una presión superior en ella.

 

Una tercera alternativa basada en la primera sería la representada en la Figura 3-42.

 

Figura 3-42. Control de demanda con compensación automática

Figura 3-42. Control de demanda con compensación automática

 

 

Esta nueva alternativa añade al diseño una compensación automática para las variaciones en el poder calorífico de los combustibles. Si en condiciones de régimen permanente la aportación de calor a la caldera aumenta, la presión de vapor empezaría a aumentar. Como consecuencia, el caudal aumentaría haciendo que la señal de anticipo aumentara y por lo tanto inhabilitando la corrección del regulador de presión, e incluso superando ésta y demandando erróneamente más combustible. Con este diseño, la integral del error en presión corregiría la señal de demanda de forma que la acción correctora del regulador de presión consigue el efecto deseado, estableciéndose de forma dinámica una nueva relación entre el caudal de vapor y la demanda de fuego.

 

Cuando el error en presión se debe en realidad a modificaciones en la demanda de vapor esta acción correctora queda anulada. La derivada del caudal servirá como interruptor automático para que la corrección actúe o no.

 

 

Reparto de cargas entre múltiples calderas

 

La demanda de carga generada por el control master debe incrementar o decrementar la demanda de combustible y de aire para todas las calderas conectadas a un colector. La forma más sencilla de repartir las cargas entre las distintas calderas, es la de dejar al operador decidir sobre dicho reparto. Para ello, la demanda master de carga se envía a una estación auto/manual que incorpora la función bías, realizando estas estaciones las funciones de master en cada caldera. De esta forma, el operador puede fijar la demanda de cualquier caldera en manual o dejar que ésta sea gobernada por el master de planta, y balancear las cargas entre las distintas calderas con la ayuda de los bías (Figura 3-43).

 

Figura 3-43. Control de demanda para múltiples calderas

Figura 3-43. Control de demanda para múltiples calderas

 

Con esta disposición existen diversos inconvenientes:

 

- El master de caldera se ajusta para el supuesto de que todas las calderas van a trabajar en automático. Si se añadieran o eliminarán calderas del sistema obligaría a un reajuste de los parámetros del regulador para mantener la ganancia adecuada en el sistema.

 

- Si alguna caldera que está trabajando en manual modifica su carga, el sistema no responderá bajando carga en las otras hasta que no se produzca una variación en la presión, lo cual conlleva, además de tiempo, desviaciones no deseadas. El caso extremo de este ejemplo sería la puesta en servicio o disparo de una de las calderas.

 

Para solucionar estos problemas se puede introducir una variante como la que se muestra en la Figura 3-44. En ella, se incorpora un regulador de compensación cuya consigna será la demanda de carga. Adicionalmente, a la salida de las estaciones se añade un sumador cuya salida será la suma ponderada de las cargas de cada caldera, de acuerdo con los pesos relativos de cada una de sus producciones. La salida del sumador será la variable de proceso del regulador de compensación.

 

Figura 3-44. Compensación automática de la demanda

Figura 3-44. Compensación automática de la demanda

 

Con este diseño se consigue una compensación automática independientemente del número y tamaño de las calderas. Por otra parte, si una caldera está en manual y modifica su demanda, inmediatamente la salida del sumador variará proporcionalmente, provocando que la salida del regulador se reajuste a la nueva situación inmediatamente. Si una caldera es disparada, forzando la salida de su estación auto/manual a 0 % se conseguirá la compensación automática e inmediata del sistema ante un disparo.

 

En algunas instalaciones se puede preferir no dejar en manos del operador la decisión de la distribución de cargas entre las calderas. Un método muy sencillo de hacer esta distribución en automático se muestra en la Figura 3-45.

 

Figura 3-45. Distribución automática de carga entre calderas

Figura 3-45. Distribución automática de carga entre calderas

 

En este diseño se incluye un generador de función antes de las estaciones auto/manuales. Este generador de función se establecerá en base a una serie de pruebas efectuadas que definen que distribución de cargas es la más correcta para las distintas producciones.

 

Si se dispone de algún tipo de cálculo que permita evaluar el costo de la generación de la energía para cada una, y que puede ser utilizado en línea, se puede trabajar con la disposición de la Figura 3-46, en donde este cálculo será utilizado como señal de bías, positivo o negativo, para distribuir la carga de las calderas de acuerdo con dicho costo.

 

 

Limitaciones de carga

 

Aunque son casos más habituales en calderas de centrales para la generación de energía, puede darse también en este tipo de calderas la circunstancia de que existan una serie equipos que trabajen en grupos y no estén dimensionados para dar por si solos la carga nominal. Tal puede ser el caso de dos ventiladores del 50 o 60%, de dos bombas de agua, etc.

 

En estos casos, a fin de que el sistema de control impida que la demanda de fuego sea superior a aquélla que se puede alcanzar con los equipos en operación, se debe limitar la señal de demanda al máximo valor disponible como se ha mostrado para la caldera 1 en la Figura 3-46.

 

 

Enclavamientos

 

Cuando todas las estaciones auto/manuales están en manual el controlador master y el de compensación estarán en modo seguimiento, de forma que ante el cambio a automático de una de las estaciones el sistema entre directamente en control.

 

Cuando se establece un límite por disponibilidad de carga los controles aguas arriba individuales de cada caldera deben estar en modo seguimiento.

 

Figura 3-46. Distribución de carga entre calderas basada en el costo

Figura 3-46. Distribución de carga entre calderas basada en el costo

 

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.

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