Aunque el diseño de estas calderas difiere mucho del de las calderas industriales vistas anteriormente, la verdad es que desde el punto de vista del control y la seguridad la similitud en sus sistemas es bastante grande. Aunque existen multitud de diseños de calderas de recuperación de calor, el texto se centrará en el ejemplo escogido que intenta aglutinar la mayoría de posibilidades existentes en este tipo de calderas.
 
 
1.4.1    Sistema agua-vapor
 
En la Figura 1-14 se puede observar el circuito agua-vapor de una caldera acuotubular con calderín. Los instrumentos propios del sistema de control continuo de los de seguridades se han diferenciado como en los casos anteriores.
 
 
Como se ve, el circuito es igual al de las calderas industriales con la diferencia de que suele ser habitual la existencia de varios niveles de presión. Estos niveles de presión suelen tener la misma estructura, a excepción quizás de que en los niveles de baja suele haber una única etapa de sobrecalentamiento. Como el combustible habitualmente utilizado en estas calderas es gas natural, no suele haber una extracción para el vapor a los sopladores de hollín al no existir éstos.
 
 
Las variables que hay que vigilar tanto desde el punto de vista de las seguridades de la caldera como del de control serán las mismas que en el caso de las calderas industriales.
 
 
1.4.2    Sistema aire-gases
 
Un típico circuito aire-gases de una caldera de recuperación lo podemos ver también en la Figura 1-14.
 
Figura 1-14. Circuito de agua-vapor y aire gases
Figura 1-14. Circuito de agua-vapor y aire gases (Click para agrandar la imagen)
 
 
Para poder trabajar en modo gases turbina o en modo aire fresco se dispone de unas compuertas de aislamiento, tanto en la salida de la turbina como en la del ventilador, que trabajarán en oposición de acuerdo con el modo de operación. Dichas compuertas deben tener indicación de sus posiciones límite de abierta/cerrada de forma que se pueda confirmar su correcto posicionamiento en los distintos modos.
 
 
Para poder trabajar en el modo de gases de turbina, bien en modo simple, bien en modo combinado, se instalará una chimenea de bypass con su correspondiente diverter (se puede sustituir por dos compuertas, una al bypass y la otra a la caldera) de forma que se pueda aislar la turbina de la caldera y trabajar aquélla en modo simple hacia el bypass. Por motivos de seguridad en estos dos modos de operación, este diverter deberá llevar igualmente indicación de posiciones límites abierta/cerrada.
 
 
Además de dichas posiciones de acuerdo con el modo de operación, las variables que hay que vigilar desde el punto de vista de las seguridades de la caldera serán las siguientes:
 
 
a) Modo gases de turbina. En este modo, al estar asegurado el caudal de aire por la operación de la turbina, se permitirá inferir el mínimo caudal de aire de la operación de ésta.
 
b) Modo aire fresco. En este modo, las señales de ventilador funcionando y de presión (PT) de descarga del ventilador no baja asegurarán la existencia de aire de combustión.
 
c) En ambos modos se supervisará la presión (PT) de los gases de escape de la turbina a fin de no someter a ésta a presiones en la descarga superiores a aquellas para las que ha sido diseñada.
 
d) En el caso de que exista quemador/es deberá supervisarse la presión (PT) de hogar a fin de que no supere los valores máximos establecidos.
 
e)  De forma análoga a lo explicado para las calderas industriales, si existiese cualquier elemento adicional a los comentados que pudiese ocasionar un cierre en el tiro de los gases debería contar con indicación de, al menos, posición abierta.
 
 
En estas calderas el control de caudal de aire de combustión pierde sentido al ser sólo posible en el modo de aire fresco y ser éste un modo alternativo no habitual que sólo se usa ante la imposibilidad de trabajar en ciclo combinado.
 
 
Este circuito por la particularidad de usar, bien los gases de escape de la turbina bien el aire suministrado por el ventilador de aire fresco como aire de combustión de los quemadores, y por poder trabajar en ciclo simple o combinado, sí presenta diferencias importantes con respecto al visto para el caso de las calderas industriales.
 
 
 
1.4.3   Sistema combustibles
 
En la Figura 1-15 se ha representado el circuito de combustibles de una caldera de recuperación con dos quemadores de 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.
 
 
En este circuito podemos observar la distribución de los combustibles para los dos quemadores existentes. La línea de gas natural, 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 dos, yendo cada rama a cada uno de los quemadores y acabando en un venteo.
 
 
Aún con el mismo propósito que comentamos para las calderas industriales, en el circuito de combustibles de las calderas de recuperación existen algunas pequeñas diferencias en la distribución de las válvulas de corte que deben existir. Estas serán las siguientes:
 
 
a) Ignitores. Se instalarán dos válvulas generales de corte con sus correspondientes válvulas de venteo, entre ellas y en el colector, y una válvula de corte para cada uno de los ignitores.
 
b) Quemadores de gas. Se instalarán las mismas válvulas que en los ignitores. 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.
 
 
Cuando la caldera dispone de aire fresco, se debe incluir doble válvula de corte con su correspondiente venteo en cada ignitor y quemador.
 
Por otra parte las variables que hay que vigilar serán las mismas que en el caso de las calderas industriales para estos combustibles.
 
 
1.4.4   Sistemas auxiliares
 
Los sistemas auxiliares de este tipo de calderas no difieren de lo explicado para las calderas industriales.
 
Figura 1-15. Circuito de combustibles
Figura 1-15. Circuito de combustibles (Click para agrandar la imagen)

 

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

Cap 1.2 Tipos de Calderas

 

Aunque se pueden hacer muchas clasificaciones de calderas de acuerdo con diferentes criterios, se puede decir que hay dos tipos generales de calderas: las pirotubulares (tubos de humo) y las acuotubulares (tubos de agua) y dentro de éstas últimas se diferenciará entre calderas con calderín agua-vapor y calderas de paso único. Adicionalmente, las calderas se pueden clasificar en alta y baja presión, de vapor saturado o sobrecalentado.

 

El vapor saturado es aquél al que no se le ha calentado por encima de la temperatura de saturación. Se le denominará seco si ha sido totalmente evaporado, o húmedo con un % de humedad si no lo ha sido. El vapor sobrecalentado será aquél que, por el contrario, sí ha sido calentado después de su completa evaporación, modificando su temperatura para la misma presión. Al estar sobrecalentado puede entregar o perder parte de su energía sin condensar, con los beneficios que esto conlleva para su transporte o uso en turbinas.

 

Se entenderá por calderas de alta presión aquellas que operan a una presión superior a 1 bar. Una ventaja de usar calderas de alta presión es la reducción del tamaño de la caldera y de las tuberías de vapor para la misma capacidad de transporte de calor, debido al aumento de la densidad del vapor con la presión. Esto puede ser particularmente importante si los consumidores del vapor están a alguna distancia de la caldera. Además la energía disponible en el vapor aumenta con la presión, algo esencial cuando el vapor se usa en una turbina.

 

Otra clasificación habitual de las calderas sería por el tipo de tiro. El aire necesario para la combustión se aporta normalmente a las calderas mediante ventiladores. Según estos ventiladores actúen sobre el suministro de aire, diremos que las calderas son de tiro forzado, inducido o equilibrado. Las primeras son aquellas en las que el ventilador, situado en la entrada, introduce el aire en la caldera, y por tanto son de hogar presurizado. Las segundas son las que teniendo el ventilador en la salida aspiran los gases de la combustión y los envían a la chimenea, siendo por tanto de hogar en depresión. Cuando coexisten ambos ventiladores la caldera se denomina de tiro equilibrado, haciéndose que el hogar trabaje un poco en depresión para evitar escapes de gases.

 

Volviendo a la clasificación general, las calderas pirotubulares son aquellas en las que los gases de la combustión circulan a través de tubos que están rodeados por agua. Muchas de las calderas pequeñas y medianas de la industria son de este tipo. Los gases de la combustión se enfrían a medida que circulan por los tubos, transfiriendo su calor al agua. La transferencia de calor es función de la conductividad del tubo, de la diferencia de temperatura entre el agua y los gases, de la superficie de transferencia, del tiempo de contacto, etc.. Un ejemplo típico de este tipo de calderas sería la Figura 1-4 en la que se aprecia un pequeño hogar sobre el recipiente con el agua, que a su vez es traspasado longitudinalmente por los tubos de los gases de la combustión. Las calderas pirotubulares pueden diseñarse con diferentes pasos de los tubos de humos por el recipiente con agua. El hogar se considera el primer paso y cada conjunto de tubos en el mismo sentido un paso adicional (Figura 1-5). Las calderas pirotubulares suelen trabajar hasta unos 20 bares para unas producciones máximas de unas 20 Tm/hr.
 
 
Figura 1-4. Caldera pirotubular
Figura 1-4. Caldera pirotubular
 
Figura 1-5. Pasos de caldera
Figura 1-5. Pasos de caldera
 
 
Las calderas acuotubulares son aquellas en las que el agua circula por el interior de los tubos. Estos tubos están, generalmente conectados a dos calderines (Figura 1-6). El calderín superior de vapor, en el cual se produce la separación del vapor existente en el agua en circulación, y el inferior de agua, también conocido como calderín de lodos al depositarse éstos en él.
 
 
Figura 1-6. Caldera paquete acuotubular
Figura 1-6. Caldera paquete acuotubular
 
 
En algunos casos este calderín inferior es sustituido por colectores, como es el caso de la caldera de recuperación de la Figura 1-7.
 
Figura 1-7. Caldera acuotubular de recuperación
Figura 1-7. Caldera acuotubular de recuperación

 

Los tubos que unen ambos calderines se distribuyen de forma que una parte de ellos queda en el lado caliente de la caldera - zona de la caldera que está en contacto con los gases de la combustión - y otra en el lado frío (Figura 1-8). El agua de los tubos del lado caliente es parcialmente evaporada de forma que dicho vapor asciende hacia el calderín superior debido a la menor densidad de éste con respecto al agua. El agua de la parte fría circula del calderín superior al inferior debido a la mayor densidad del agua en esta zona, de forma que se produce una circulación natural de la masa de agua. Este tipo calderas suelen operar hasta presiones de 100 bares en el caso de las calderas industriales y de 200 en el caso de calderas para centrales térmicas, con unas producciones de 500 Tm/hr y 4000 Tm/hr respectivamente.

Figura 1-8. Circulación en una caldera acuotubular

Figura 1-8. Circulación en una caldera acuotubular

 

Para presiones superiores a las indicadas, a partir de las cuales la circulación desciende rápidamente debido a que las densidades del agua y el vapor son similares, se utilizan calderas acuotubulares de paso único. En éstas calderas, la circulación es forzada por un sistema de bombeo que introduce el agua por un extremo y, tras ser calentada, sale en forma de vapor por el otro. Son capaces de trabajar hasta 350 bares de presión. Estas calderas son propias de centrales térmicas por lo que no nos detendremos en más particularidades sobre ellas.

 

El control de una caldera es un tema extenso que incluye tanto los procedimientos de arranque y parada como los enclavamientos de seguridad y la operación en continuo de la caldera. Tradicionalmente al desarrollar el control de una caldera, las acciones de modulación de la misma se desarrollaban con equipos analógicos (continuos).

 

Las secuencias de arranque y parada, así como los enclavamientos, son acciones digitales (todo/nada) que implicaban equipos digitales. Actualmente, debido a los avances en los sistemas basados en microprocesador es posible integrar estos dos sistemas en uno solo, aunque se siguen manteniendo algunos condicionantes en lo que se refiere a los equipos dedicados a la seguridad de la caldera.

 

Para poder desarrollar una aplicación de control adecuadamente es necesario entender correctamente los objetivos del sistema de control. En el caso de las calderas de vapor existen tres objetivos básicos:

 

  • Hacer que la caldera proporcione un suministro continuo de vapor en las condiciones de presión y temperatura deseadas.
  • Operar continuamente la caldera al menor coste de combustibles manteniendo un alto nivel de seguridad.
  • Arrancar y parar de forma segura, vigilar y detectar condiciones inseguras y tomar las acciones necesarias para una operación segura en todo momento.
Los dos primeros objetivos serán realizados por lo que tradicionalmente se conoce como sistema de control analógico, mientras que el tercero será labor del sistema de seguridades y manejo de quemadores.
 
Un diagrama básico de una caldera podría representarse como se muestra en la Figura 1-1.
 
En esta figura se pueden diferenciar dos sistemas distintos. El primero sería el sistema agua-vapor. En él, el agua que se introduce en la caldera es convertida en vapor, que sale de la caldera al recibir el calor necesario mediante la transferencia de calor a través del metal de los tubos. El segundo sistema es de combustible-aire-gases que es el que proporcionará el calor que se transmite al agua.
 
 
En este sistema, el aire y el combustible se mezclan y queman en el hogar. El hogar suele estar formado por paredes de tubos de agua que reciben el calor radiante de la llama y es por tanto donde se produce la máxima transferencia de calor.
 
 
Los gases de combustión, como resultante de esta pérdida de calor, se enfrían y abandonan el hogar pasando a la zona de recuperación de calor formada por tubos de vapor en donde la llama ya no se ve y el calor se transmite por convección. Como la transmisión de calor depende, entre otras cosas, de que exista una diferencia de temperatura, la temperatura de salida de los gases será siempre algo superior a la temperatura menor del circuito agua-vapor.
 
 
Figura 1-1. Diagrama básico de una caldera
Figura 1-1. Diagrama básico de una caldera

 

 

Esta pérdida de calor disminuye el rendimiento del ciclo. Al objeto de elevar dicho rendimiento, los gases de combustión suelen pasarse por algún tipo de intercambiador de calor. Un primer ejemplo sería la instalación de un economizador (Figura 1-2), que consiste en un conjunto de tubos de agua expuestos a los gases tras la zona de recuperación de calor, con el propósito de calentar el agua de alimentación y aprovechar al máximo el calor de los gases de la combustión antes de abandonar la caldera.

 

Figura 1-2. Caldera con economizador

Figura 1-2. Caldera con economizador

 

Una segunda posibilidad sería aprovecharlos para elevar la temperatura del aire de entrada en lo que se conoce como precalentador de aire (Figura 1-3). En este caso se debe considerar que dichos gases pueden tener limitada su mínima temperatura si en su composición está presente el azufre. En aquellas instalaciones en las que es posible la instalación de ambos equipos lo normal sería pasar primero los gases por el economizador y después por el precalentador.

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