Objetivo

 

El objetivo del control de combustión en una caldera de recuperación es, como en el caso de una caldera industrial, mantener el caudal de combustible de acuerdo con la demanda de carga de la caldera, en el rango de trabajo de la postcombustión para entregar al sistema la energía requerida para el suministro del caudal de vapor deseado manteniendo el equilibrio energético.

 

También será el encargado de impedir que se superen los límites de la aportación de calor. En el caso de las calderas de recuperación esto adquiere una gran importancia. En muchas instalaciones el sistema de combustión se dimensiona para trabajar en modo aire fresco y dar el 100 % de la producción, sin embargo al trabajar en modo gases turbina la aportación del sistema de combustión debe ser en gran parte limitada para no sobrepasar la entrada de calor máxima soportada por la caldera.

 

Adicionalmente, en algunas de estas calderas existirá un control de posición del diverter para mantener la presión del colector en el rango de trabajo sin postcombustión.

 

Filosofía del control

 

En las calderas de recuperación de calor, por su especial modo de funcionamiento y variedad de configuraciones, el control de la presión del colector difiere en gran parte de lo visto hasta el momento. La principal variación reside en que el oxígeno de la combustión se extrae, durante la operación normal de la caldera en modo gases de turbina, en lugar del aire ambiente a través del ventilador, de los gases de escape de la turbina de gas al ser éstos todavía ricos en él.

 

Otra variación inherente a este tipo de calderas es que la primera parte de la producción se obtiene de los gases de escape de la turbina, y, normalmente, una vez alcanzada la máxima producción con éstos, se incrementa mediante la postcombustión.

 

Por otra parte, estas calderas si su aportación del vapor es de gran importancia para la planta, pueden ir provistas de un ventilador de aire fresco que permite que trabajen con la turbina de gas fuera de servicio.

 

Modo gases de turbina

 

En este modo de operación para mantener la presión de vapor en el colector se debe establecer un rango partido entre la demanda de fuego a los quemadores (postcombustión) y la demanda necesaria para mantener dicha presión en el rango de trabajo sin quemadores (sin postcombustión), como se muestra en la Figura 3-78.

 

Figura 3-78. Rango partido de la demanda de carga

Figura 3-78. Rango partido de la demanda de carga

 

La demanda para el rango de sin postcombustión puede ser, o enviada al sistema de control de la turbina de gas en orden a regular su carga para mantener la presión de vapor deseada, o usada como demanda de posición del diverter entre turbina y caldera, si éste existe, a fin de mantener la turbina de gas a plena carga.

 

Figura 3-79. Control del diverter

Figura 3-79. Control del diverter

 

En el caso de que exista diverter y éste se use para modular, se puede usar un control por posicionamiento sin realimentación o, si existe transmisor de posición del diverter, un lazo PI simple como el que se indica en la (Figura 3-79). El generador de función del rango partido hará lineal la demanda de vapor con la posición del diverter en función del caudal de gases que dicha posición permite pasar hacia la caldera.

 

El control de la carga de la caldera mediante el uso del diverter no es muy recomendable al ser un control muy poco preciso y lento. Además, desde el punto de vista de operación de la caldera puede ocasionar distribuciones del volumen de gases no homogéneas que pueden motivar problemas de mala circulación por calentamiento desigual. Existen otras alternativas como la regulación de la turbina de gas, el uso de una válvula de control en el venteo o en el bypass que son más adecuados, aunque obviamente la decisión se tomará basándose en todas las particularidades de cada planta.

 

Existen instalaciones en las que se necesita toda la capacidad de postcombustión de la caldera incluso para cargas parciales de la turbina de gas. Si la caldera acepta este modo de funcionamiento, pues la primera consecuencia de él es que el volumen de gases de la turbina disminuye y, como consecuencia, ante la misma aportación de calor por parte de los quemadores las temperaturas de gases pueden exceder las permitidas, será necesario la modificación del rango partido para adecuarlo a las nuevas necesidades. El generador de función de la demanda de combustible (Figura 3-78) debe ser modificado en función de la carga de turbina. Al reducirse la carga de ésta, la producción de vapor sin postcombustión disminuirá y por tanto el ámbito de ésta debe ser modificado como se muestra en la Figura 3-80. Normalmente en estas condiciones la producción total queda limitada

 

Figura 3-80. Demanda de combustible en función de la carga de la TG

Figura 3-80. Demanda de combustible en función de la carga de la TG

 

 

La demanda de combustible por su parte debe acondicionarse de acuerdo al sistema de combustión implementado.

 

Existe una gran variedad de configuraciones posibles del sistema de combustión en este tipo de calderas. De entre ellas y como más significativas se estudiarán los siguientes casos:

 

a) Una medida de caudal y una válvula de control (uno o más quemadores).

 

b) Una medida de caudal y dos válvulas de control (uno o más quemadores por válvula).

 

c) Dos medidas de caudal y dos válvulas de control (uno o más quemadores por válvula).

 

a) Cuando la postcombustión se realiza mediante una válvula de control el control de combustible se podrá diseñar con un lazo PI simple como el que se muestra en la (Figura 3-81).

 

Figura 3-81. Control de combustible con una válvula de control

Figura 3-81. Control de combustible con una válvula de control

 

La demanda procedente del rango partido se utilizará de consigna del regulador de caudal cuya variable de proceso es el caudal de combustible. En el caso de que los quemadores excedan en capacidad la máxima permita en postcombustión, dicha consigna debe quedar limitada a la máxima cantidad de combustible aceptable para no exceder la aportación de calor en este modo de operación. Igualmente, para mayor seguridad, se debe limitar la máxima salida del regulador de caudal para que incluso en modo manual no se pueda exceder dicha aportación. Por otra parte, la consigna del regulador debe ser también limitada por el número de quemadores en servicio, de forma que la demanda no sobrepase nunca la capacidad de fuego.

 

b) En instalaciones en las que la capacidad de la postcombustión es grande por motivos de incrementar el rango de control suelen instalarse dos válvulas de control. En estos casos, el lazo puede presentar distintas alternativas dependiendo de la configuración de los quemadores.

 

Figura 3-82. Dos válvulas de control en rango partido

Figura 3-82. Dos válvulas de control en rango partido

 

En algunas instalaciones los quemadores se diseñan sólo para el ámbito de la postcombustión y su funcionamiento es secuencial, de forma que primero enciende uno y cuando ha llegado a su máxima capacidad enciende el siguiente. En estos casos, la salida del regulador de caudal se partirá y caracterizará de acuerdo con la capacidad de cada válvula de control y el orden de encendido. En la Figura 3-82 se muestra un ejemplo de esta caracterización para el caso en el que las dos válvulas tengan distinta capacidad.

 

Sin embargo, en aquellas instalaciones en las que la necesidad del vapor es crítica, el sistema suele contar con la posibilidad de funcionamiento en modo aire fresco, cuya capacidad suele ser la misma que en modo gases de turbina. En este caso, al ser los quemadores de más potencia, es más frecuente que cada una de las válvulas de control tenga capacidad para toda la postcombustión y trabajen indistintamente como se muestra en Figura 3-83. Al igual que en el caso anterior, la demanda procedente del rango partido se utilizará de consigna del regulador. Como los quemadores exceden en capacidad la máxima permita en postcombustión dicha consigna debe quedar limitada, al igual que la máxima salida de cada estación auto/manual. En esta última limitación se debe considerar si sólo una o ambas válvulas de control están aportando combustible. La demanda a cada válvula de control se limitará de acuerdo al número de quemadores en servicio para no exceder la capacidad de aportación de calor.

 

Figura 3-83. Dos válvulas de control indistintamente

Figura 3-83. Dos válvulas de control indistintamente

 

Como ya se ha visto en el caso de las calderas industriales, este método presenta el problema de ganancia, de la respuesta ante disparos, etc.. Para solucionar este problema se incluirá un regulador de compensación como se ha visto ya anteriormente (Figura 3-84).

 

Figura 3-84. Compensación automática para dos válvulas de control

Figura 3-84. Compensación automática para dos válvulas de control

 

c) Puede interesar por motivos de distribución de calor o por cualesquiera otros, disponer de una medida de caudal independiente para cada válvula de control para asegurar los caudales por los distintos quemadores o mantener una relación entre ellos. La primera posibilidad sería sumar los dos caudales y, siendo la variable de proceso del regulador la salida de dicho sumador, usar una configuración igual a la indicada en la Figura 3-84. Una alternativa a este diseño se muestra en la Figura 3-85. Como se ve las medidas de caudal se suman y la salida del sumatorio se envía como variable de proceso de un regulador de combustible total, que trabajará de forma análoga al de compensación del diseño anterior, cuya consigna será la demanda de combustible tras ser limitada para la postcombustión máxima. La salida de este regulador se enviará como consigna de los dos reguladores de caudal individuales, tras limitarse de acuerdo con el número de quemadores en servicio de cada una de las válvulas para no sobrepasarse la capacidad de fuego. Al igual que en los casos anteriores las salidas de los reguladores de caudal estarán limitadas para la máxima postcombustión. En este caso el límite debe tener en cuenta si ambas válvulas están aportando combustible o no.

 

Figura 3-85. Dos válvulas con realimentación independiente

Figura 3-85. Dos válvulas con realimentación independiente

 

Con este diseño, al igual que con el anterior, la pérdida de un quemador o la manipulación en manual de una de las válvulas queda automáticamente compensada, ahora mediante el regulador de caudal total.

 

Cuando lo que se requiere es mantener una relación entre los caudales de las dos válvulas de control el diseño del lazo podría ser como el que se muestra en la Figura 3-86

 

Figura 3-86. Alternativa dos válvulas con realimentación independiente

Figura 3-86. Alternativa dos válvulas con realimentación independiente

 

Esta configuración es análoga a la vista en el control de combustible de las calderas industriales. En ella, la señal de demanda de combustible tras ser limitada para la máxima postcombustión, se divide en dos de acuerdo con la relación deseada para ambas válvulas en la estación manual. Cada una de las señales se envía como consigna de sus respectivos reguladores tras limitarse de acuerdo con el número de quemadores en servicio de cada una de las válvulas. Las salidas de los reguladores de caudal estarán, como ya se ha dicho, limitadas para la máxima postcombustión admitida de forma que incluso en manual no se pueda sobrepasar este límite. Esta última limitación debe considerar si son una o dos las válvulas que aportan combustible.

 

 

Modo aire fresco

 

En algunas instalaciones, la caldera va provista de un ventilador de aire fresco que permite su operación aún en el caso de que la turbina de gas esté fuera de servicio.

 

Al ser este modo de operación sólo usado puntualmente ante problemas en la turbina de gas, y por no existir un cajón de aire que asegure la correcta distribución de éste para todas las cargas y evite problemas en la distribución del calor, el ventilador de aire fresco no suele ir provisto de ningún tipo de modulación, sino que suministra una cantidad de aire constante que asegura la correcta combustión y distribución del calor. Esta aportación de aire sí suele ser modificada durante el verano y el invierno por la influencia de la temperatura en el caudal de aire.

 

Por otra parte, para poder suministrar todo la capacidad de vapor que tiene la caldera en este modo de operación, los quemadores deben ser dimensionados para tal circunstancia, lo que obviamente los sobredimensiona para el modo de gases turbina, creando las particularidades de limitación en la demanda vistas en el punto anterior.

 

Al ser entregada en este caso toda la aportación de calor por los quemadores la demanda de carga a la caldera vista en la Figura 3-78 debe ser modificada para su correcto funcionamiento en ambos modos de operación (Figura 3-87).

 

Figura 3-87. Demanda de caldera gases turbina-aire fresco

Figura 3-87. Demanda de caldera gases turbina-aire fresco

 

Mediante la inclusión de dos funciones de transferencia, que actúan de acuerdo con los modos de operación, se consigue generar la señal adecuada de combustible.

 

 

Enclavamientos

 

Como ya se ha dicho, el control de combustión de una caldera está estrechamente ligado al sistema de seguridades de la misma. Por este motivo existen diversos enclavamientos procedentes de éste que actúan sobre la configuración del control de combustión, como son los siguientes:

 

Los reguladores de control de caudal de combustible se forzarán a su posición de encendido cuando no exista ningún quemador en servicio, de forma que la válvula de control se encuentre en dicha posición cuando se va a realizar su encendido.

 

- El número de quemadores en servicio actuará sobre la estación manual que fija la relación entre los combustibles, de forma que exista congruencia entre los quemadores en servicio y la relación pedida.

 

- Igualmente, el número de quemadores en servicio fijará los límites en la demanda a sus respectivos reguladores en función de la carga máxima soportada por cada quemador.

 

- Las señales del modo de operación manipularán adecuadamente las funciones de transferencia en la demanda de carga.

 

Por otra parte, cuando todas las estaciones auto/manuales están en manual, los reguladores aguas arriba deben estar en modo seguimiento para que entren en control en el momento del paso de una de ellas a automático.

 

De forma análoga, si los reguladores de caudal están en manual el regulador de combustible total debe estar en modo seguimiento, o en manual si se prefiere.

 

Objetivo

 

El objetivo de este lazo es mantener la presión del hogar dentro de una estrecha banda en torno al punto de consigna para asegurar una combustión satisfactoria así como una operación segura.

Objetivo

 

 

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.

Consideraciones sobre las medidas

 

3.2.1    Control de presión del fuel oil

 

Objetivo

El objetivo de este lazo es mantener la presión del suministro de fuel oil en su valor adecuado. El mantener la presión correcta en el suministro del fuel oil será un elemento necesario para poder realizar un control de caudal, de acuerdo con la demanda de carga, satisfactorio.

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