2.3 BMS para calderas industriales (Sistemas de Gestión de Quemadores)

2.3.1   Requisitos de diseño

Los siguientes requisitos de diseño están extraídos de los requerimientos exigidos por la NFPA 8502.

El BMS se diseñará de forma que un fallo individual en el sistema no impida la ejecución de un disparo. Se deberán generar las alarmas necesarias para indicar mal funcionamiento del equipo, condiciones de riesgo o mala operación. El primer objetivo es el de alarmar condiciones que supongan una amenaza de peligros próximos o inmediatos.

El diseñador del sistema deberá evaluar como mínimo los siguientes modos de fallos de los componentes:

a) Interrupciones, excursiones, restablecimiento, caídas, transitorios y pérdidas parciales de tensión.

b) Corrupción y pérdida de memoria.

c) Corrupción y pérdida de transferencia de información.

d) Fallo a energizado o desenergizado de las entradas y salidas.

e) Señales no legibles o no leídas.

f) Fallo en la detección de errores.

g) Fallos de procesador.

h) Fallos en las bobinas de los relés.

i)  Fallos a abrir o cerrar en los contactos de los relés.

j)  Fallos en los temporizadores.

Se deberán incluir diagnósticos para vigilar el funcionamiento del procesador.

Los fallos del sistema lógico no impedirán la intervención propia del operador.

La lógica estará protegida contra cambios no autorizados.

La lógica no se cambiará con el equipo asociado en operación.

El tiempo de respuesta del sistema será suficientemente corto como para prevenir efectos negativos sobre la aplicación.

Deberá tener una protección adecuada al ruido para prevenir falsas maniobras.

El operador siempre estará provisto de un pulsador manual dedicado que actúe sobre el relé MFT independiente y directamente.

El sistema BMS no será combinado con ningún otro sistema lógico.

El BMS incluirá como mínimo, aunque no estará limitado, las siguientes funciones de seguridad: enclavamientos y temporizado de la purga, disparos de seguridad obligatorios, tiempo de encendidos y vigilancia de la llama.

El BMS estará limitado a una sola caldera.

El BMS estará provisto de lógica independiente, entradas y salidas independientes, fuentes de alimentación independientes, y estará física y funcionalmente separado de otros sistemas lógicos.

Se permite el uso de comunicaciones software con otros sistemas. Las señales que inicien disparos deberán ser cableadas.

Las secuencias y equipos que causen un disparo, una vez iniciado éste, requerirán la acción del operador para restablecer la operación del equipo disparado. No se permitirá que ninguna secuencia lógica o equipo cierre momentáneamente y reabra inadvertidamente las válvulas de combustible.

2.3.2   Requisitos funcionales

La función del sistema de seguridades de caldera y manejo de quemadores es la de vigilar la caldera y poner o quitar de servicio de una forma segura los quemadores.

De acuerdo con todas las señales procedentes de la instrumentación de campo (transmisores de presión, temperatura, nivel, finales de carrera, etc.) y, si es el caso, de las procedentes de otros sistemas o equipos auxiliares, el BMS se encargará de ejecutar las acciones necesarias (cierre de válvulas de combustible, etc.) para evitar sobrepasar los límites de funcionamiento considerados aceptables para la caldera o el proceso, llevando a la caldera a una situación de seguridad desde la cual se podrá reiniciar su puesta en servicio.

Además de la vigilancia continua del estado general de la caldera, el BMS se encargará de ejecutar, de una forma segura, todas las secuencias de encendido y apagado de los quemadores e ignitores.

De forma general, se podrían distinguir las siguientes secuencias:

– Disparos de Caldera. Cualquier situación de riesgo para la caldera o el proceso provocará un disparo de la misma. Dicho disparo provocará el cierre de todas las válvulas de corte de combustible, así como la desenergización del relé MFT.

– Barrido o Purga de Caldera. Después de cualquier disparo de caldera se debe realizar un barrido del hogar y de todos sus conductos asociados, con el objetivo de evitar que una posible atmósfera rica en combustible, debida a pequeñas fugas o a inquemados, pueda causar una explosión en el caso de un encendido.

–  Rearme de Caldera. Una vez que el barrido ha sido finalizado y no hay ninguna condición de disparo, se ha de rearmar el relé MFT. Esta acción produce el reset de todas las memorias de disparo, tanto a nivel software (PLC) como hardware (relé MFT), lo que permitirá el encendido del quemador. El relé MFT es un relé de seguridad que es manejado por el PLC además de ser desenergizado directamente por los pulsadores de disparo de emergencia. La tensión a todas las válvulas de corte combustible se establece a través de sus contactos de forma que si el relé MFT está desenergizado no es posible la apertura de dichas válvulas.

–  Encendido y apagado de los quemadores e ignitores. Estas secuencias se encargarán de la puesta en servicio de los quemadores, asegurando que todos los permisivos necesarios para ello se van cumpliendo adecuadamente. Asimismo, se encargará de la vigilancia permanente del estado de los quemadores, de forma que provocará el disparo de los mismos ante una anomalía en las señales de proceso (pérdida de llama, alta/baja presión de combustible etc.), cortando inmediatamente la aportación de combustible al hogar.

2.3.3    Barrido de caldera

Después de cada disparo de caldera se debe utilizar el barrido con el VTF para remover del hogar cualquier resto de combustible gaseoso o suspendido y reemplazarlo por aire.

2.3.3.1   Permisivos

El operador comprobará que se satisfacen todos los permisivos de arranque del VTF y lo arrancará. Para poder realizar el barrido de caldera se deberán cumplir las siguientes condiciones:

a)  Caldera disparada.

b)  Caudal aire combustión no bajo/bajo.

c)  Todas las válvulas de corte de combustible cerradas.

d)  VTF en marcha.

e)  Presión hogar no alta/alta.

f)   No disparo de emergencia.

g) Alabes VTF no forzados a posición completamente abierta (tiro natural).

h) No bloqueo de álabes del VTF. Situación que se produce ante un disparo de caldera debido a un muy bajo caudal de aire de combustión o a una muy baja relación combustible-aire.

i)  No llama detectada.

En este momento la indicación de iniciar barrido caldera se iluminará hasta que el operador presione el pulsador de inicio de barrido, iniciándose entonces la secuencia de barrido.

2.3.3.2   Secuencia automática

Una vez presionado el pulsador de inicio del barrido, se dará orden de situar los álabes del VTF en posición de barrido.

Para que la secuencia de barrido se lleve a cabo con éxito, se deben cumplir las siguientes condiciones:

a)      Permisos de barrido satisfechos.

b)      Caudal de aire >= 25 % de plena carga.

c)      Registros de aire de los quemadores abiertos.

Si estas condiciones se cumplen, se iluminará la indicación de barrido de caldera en progreso durante un período de 300 seg. Si durante la secuencia automática se pierde algún permisivo, será necesario repetir la secuencia de barrido.

2.3.3.3   Rearme

Una vez finalizado el barrido de caldera y si no existe ninguna condición de disparo (ver 2.3.4) se iluminará la indicación de rearmar caldera y el operador deberá accionar el pulsador correspondiente con el objeto de rearmar el relé MFT y la lógica de disparo de caldera. Una vez rearmada la caldera la indicación de caldera disparada desaparece, quedando la caldera en disposición de encendido.

2.3.4   Disparos de caldera

2.3.4.1   General

Cualquier disparo de caldera provocará el cierre de todas las válvulas de corte de combustible así como la desenergización del relé MFT.

2.3.4.2   Disparos

Cualquiera de las siguientes causas provocará un disparo de caldera:

a) Relación aire/combustible muy bajo.

b) Nivel del calderín muy bajo.

c) Presión del vapor del calderín muy alta.

d) Presión del hogar muy alta.

e) Presión del aire de instrumentación muy baja.

f) Fallo de alimentación del sistema de control.

g) VTF no en marcha.

h) Caudal aire combustión muy bajo.

i)  Disparo de emergencia.

j)  Pérdida de todas las llamas.

k) Ultima válvula de combustible cerrada.

2.3.5   Ignitor

2.3.5.1   General

El ignitor se pondrá en servicio cuando sea requerido para el encendido del quemador al actuar sobre el pulsador de encendido del quemador, o cuando sea requerido para la purga del combustible líquido.

2.3.5.2   Permisivos de encendido

El ignitor podrá ser puesto en servicio si las siguientes condiciones están presentes:

a) No existen condiciones de disparo de emergencia del ignitor (ver 2.3.5.4).

b) Transcurrido el tiempo entre encendidos.

c) Todas las válvulas de combustible cerradas y no hay llama en caldera, o algún quemador está en servicio.

d) No hay llama de ignitor detectada o algún quemador está en servicio.

e)  No existen condiciones de disparo de caldera.

En este momento el ignitor quedará listo para encender desde la lógica de encendido del quemador

2.3.5.3   Secuencia automática de encendido

La secuencia de encendido del ignitor será como sigue:

a) Los transformadores de ignición se energizarán durante 10 seg.

b) Las válvulas de corte del ignitor se energizarán durante 10 seg.

c) Si tras el fin de estos 10 seg. se recibe la señal de llama ignitor detectada, se activará la indicación de ignitor en servicio manteniéndose abiertas sus válvulas y retirando el transformador.

2.3.5.4   Apagado del ignitor

El ignitor se apagará cuando éste no sea requerido por el quemador ó cuando ocurra cualquiera de las siguientes condiciones de disparo de emergencia del ignitor:

a) Disparo de la caldera.

b) Fallo de llama del ignitor.

2.3.6   Quemador de gas

2.3.6.1   Permisivos de encendido

El operador podrá encender el quemador si los siguientes permisivos de encendido están satisfechos:

a) Llama de quemador no detectada e ignitor listo para encender, o el quemador está en servicio con combustible líquido.

b) No disparo de caldera.

c) Presión de suministro de gas natural no baja.

d) Válvulas de corte del quemador de gas natural cerradas.

e) Condiciones de disparo del quemador de gas natural no presentes (ver 2.3.6.3).

f) Ningún quemador se encuentra en secuencia de encendido.

g) Válvula de control de gas natural en posición de encendido.

En este momento la indicación quemador de gas natural listo se iluminará y el operador podrá encenderlo actuando sobre su correspondiente pulsador.

2.3.6.2   Secuencia automática de encendido

La secuencia automática de encendido del quemador con gas natural será como sigue:

a) El ignitor es puesto en servicio (si el quemador no está en servicio con combustible líquido) según se describe en 2.3.5.3.

b) Se da orden de abrir las válvulas de   corte y orden de cerrar la válvula de venteo de dicho quemador.

Si se reciben las señales de válvulas de corte de gas natural no cerradas y llama de quemador detectada, transcurridos 5 seg., se iluminará la indicación de quemador de gas natural en servicio.

c) Se da orden de apagar el ignitor (si está en servicio).

2.3.6.3   Apagado del quemador

El apagado del quemador de gas natural se provocará cuando el operador actúe sobre el correspondiente pulsador de apagado o por cualquiera de las siguientes condiciones de disparo, haciendo que sus válvulas de corte se cierren:

a) Disparo de caldera.

b) Muy baja presión de gas natural (3 seg. después de la apertura de las válvulas de corte de gas natural).

c) Muy alta presión de gas natural.

d) Condición de disparo gas natural (input excedido).

e) Fallo llama quemador gas natural.

f) Fallo de encendido del ignitor al ser requerido por la secuencia del quemador.

g) Fallo de válvulas de corte de gas natural.

2.3.7   Quemador de fuel oil

2.3.7.1   Permisivos de encendido

El operador podrá encender el quemador si los siguientes permisivos de encendido están satisfechos:

a) Llama de quemador no detectada e ignitor listo para encender, o el quemador está en servicio con gas natural.

b) No disparo de caldera.

c) Presión de suministro de vapor de atomización no baja.

d) Presión de suministro de combustible liquido no baja.

e) Válvulas de corte de combustible líquido cerradas.

f) Condiciones de disparo del quemador con combustible líquido no presentes (ver 2.3.7.3).

g) Ningún quemador se encuentra en secuencia de encendido.

h) Válvula de control de combustible líquido en posición de encendido.

En este momento la indicación quemador de combustible líquido listo se iluminará y el operador podrá encenderlo actuando sobre dicho pulsador.

2.3.7.2   Secuencia automática de encendido

La secuencia automática de encendido del quemador con combustible líquido será como sigue:

a) El ignitor es puesto en servicio (si el quemador no está en servicio con gas natural) según se describe en 2.3.5.3.

b) Se da orden de cierre a la válvula de recirculación y de apertura a las válvulas de corte de combustible líquido y del vapor de atomización de dicho quemador.

Si se reciben las señales de válvulas de corte de combustible liquido no cerradas, válvula de atomización abierta y llama de quemador detectada, transcurridos 5 sg., se iluminará la indicación de quemador de combustible líquido en servicio.

c) Se da orden de apagar el ignitor (si está en servicio).

2.3.7.3   Apagado del quemador

El apagado del quemador de combustible líquido se provocará cuando el operador actúe sobre el correspondiente pulsador de apagado o por cualquiera de las siguientes condiciones de disparo, haciendo que sus válvulas de corte se cierren:

a) Disparo de caldera.

b) Muy baja temperatura del combustible líquido.

c) Muy alta temperatura del combustible líquido.

d) Muy baja presión del combustible líquido.

e) Muy alta presión del combustible líquido.

f) Muy baja presión diferencial vapor atomización/ combustible líquido.

g) Condición de disparo combustible líquido (input excedido).

h) Lanza del quemador combustible líquido no acoplada.

i)  Fallo de llama de quemador combustible liquido.

j)  Fallo de encendido del ignitor al ser requerido por la secuencia del quemador.

k) Fallo de válvulas de corte de combustible líquido.

l)  Fallo de válvula de corte de vapor de atomización

2.3.7.4   Purga del combustible líquido

Cuando se produce un apagado o disparo del quemador de combustible líquido y una vez estén cerradas sus correspondientes válvulas de corte, se llevará a cabo una secuencia de purga para limpiar la caña del quemador. La secuencia automática que se genera es la siguiente:

a) Secuencia de encendido del ignitor (sólo si el quemador no tiene gas natural en servicio).

b) Se da orden de abrir la válvula de purga y vapor de atomización, iniciándose una temporización de 60 seg.

c) Pasado este tiempo, la secuencia de purga se considera finalizada y se da orden de cerrar a la válvula de purga y de vapor de atomización y de apagar el ignitor.

El proceso de purga de la caña del combustible líquido puede ser bloqueado por cualquiera de los siguientes motivos:

a) Disparo de caldera.

b) Fallo de válvulas de corte de combustible líquido.

c) Muy baja presión del vapor de atomización.

d) Lanza no acoplada.

e) La válvula de atomización no está abierta.

f) El ignitor no entra o no está en servicio cuando es requerido.

Si la secuencia de purga es bloqueada, el operador puede reiniciarla si todos los permisivos se cumplen a través del pulsador de apagar quemador de combustible líquido.