3.4 Control de temperatura del vapor de calderas

Objetivo

Existen calderas cuya producción es vapor saturado, de tal forma que la temperatura del vapor viene marcada por la presión de operación, pues son variables directamente relacionadas.

También existen calderas en las que el vapor es sobrecalentado de forma ligera para su mejor conducción o consumo, pero que se dimensionan de forma que las modificaciones en la temperatura del vapor no sean importantes de cara al consumidor. Sin embargo, hay gran cantidad de calderas en las que el vapor generado ha de estar a una cierta temperatura, que asegure el correcto funcionamiento de sus consumidores. En estos casos, en los que normalmente el grado de sobrecalentamiento es mayor, la imposibilidad de diseñar la caldera para que en todas las cargas requeridas produzca el vapor a la temperatura deseada, obliga a controlar ésta de forma que se mantenga dentro de los márgenes de operación deseados.

Filosofía del control

Existen distintos métodos de control de la temperatura del vapor, algunos basados en mecanismos de control de la parte gases y otros en la parte de agua de la caldera. Los primeros son típicos de calderas de centrales térmicas y su uso en calderas industriales es poco frecuente por lo que no nos detendremos en ellos. Los segundos, más extendidos, consisten en atemperar el vapor bien mediante la inyección directa de agua (Figura 3-30), bien mediante el uso de un intercambiador de calor agua-vapor (Figura 3-31). El primer método desde un punto de vista de control tendrá una constante de tiempo menor y su respuesta será más rápida. Sin embargo, al introducir agua en el vapor la calidad de éste vendrá modificada por aquélla. En el segundo caso esta posible contaminación del vapor no existe, pero la respuesta del sistema y por tanto su constante de tiempo será mucho mayor, con los inconvenientes que esto puede originar al proceso y al ajuste del sistema de control.

Figura 3-30. Atemperación por spray

Figura 3-31. Atemperación por intercambiador de calor

Control a un elemento

En pequeñas calderas en donde la carga permanece constante o con cambios lentos, o en aquellas en las que la cantidad de sobrecalentamiento no se modifica de forma demasiado notable con la carga, el uso de un control PI simple como el de la Figura 3-32 puede dar resultados satisfactorios.

Figura 3-32. Control de temperatura de vapor a un elemento

Si la temperatura sube la válvula abre para aportar más agua, y viceversa.

Sin embargo, en la mayoría de las instalaciones este tipo de control no será suficiente para mantener la temperatura del vapor en los márgenes exigidos.

Control a dos elementos

Este tipo de diseño se basa en un control feedforward más feedback. El caudal de aire de combustión nos da la magnitud de la demanda de fuego en la caldera, así como del volumen de gases que se envían al sobrecalentador, por lo que será un buen índice que nos anticipe la posición de la válvula de spray. La temperatura del vapor será lógicamente la variable realimentada (Figura 3-33), cuyo error corregirá la posición demandada.

Figura 3-33. Control de temperatura de vapor a dos elementos

Si por algún motivo el caudal de aire no se pudiera utilizar como índice, el caudal de vapor puede ser utilizado en su lugar aunque en situaciones transitorias pudiera no ser tan indicativo para el control de la temperatura del vapor.

Una alternativa a este control de dos elementos es la basada en un control en cascada como el de la Figura 3-34.

Figura 3-34. Control en cascada de temperatura de vapor a dos elementos

En este control, la temperatura final de vapor se utiliza como variable de proceso del regulador primario y una medición de la temperatura a la salida del spray se utiliza como la variable de proceso del regulador secundario. Con esta nueva medición, las modificaciones en el caudal de atemperación tendrán un reflejo más inmediato en el control por lo que el ajuste del regulador secundario puede hacerse para proporcionar una respuesta bastante rápida. Como en todo lazo en cascada el ajuste del regulador primario deberá ser más lento, para dar tiempo a la correcta regulación en el secundario y evitar que se sature.

Como la atemperación no es necesaria normalmente hasta una determinada carga de caldera, suele ser habitual que exista una válvula de corte aguas arriba de la válvula de control para evitar que ésta trabaje como tal, sobre todo si la presión en Se podría decir como idea general, que la elección de la primera estrategia vendrá condicionada por la existencia o no de un índice adecuado para el correcto posicionamiento de la válvula de control. En aquellas instalaciones en las que este índice no está disponible o la atemperación es similar en todo el rango de operación, la segunda opción suele ser aconsejable.

Control a tres elementos

Como hemos comentado un handicap para el uso del control en cascada puede ser el que exista una gran diferencia en las posiciones de la válvula de control para las distintas cargas de caldera. Este problema se puede paliar mediante la inclusión del caudal de aire de combustión como tercer elemento en este lazo (Figura 3-35).

Figura 3-35. Control de temperatura de vapor a tres elementos

La derivada del caudal de aire se utilizará como señal anticipativa para modificar la posición de la válvula ante los cambios de carga, mientras que en situaciones de régimen permanente no tendrá influencia.

Otra posibilidad del diseño con tres elementos es la de la Figura 3-36.

Figura 3-36. Alternativa de control de temperatura de vapor a tres elementos

Esta configuración lo que hace es aunar los dos diseños expuesto para el control con dos elementos, de forma que el caudal de aire se utiliza como índice de la posición de la válvula y se corrige por los errores en temperatura, ya sean en la final o en la de salida del spray.

Las consideraciones dadas para el ajuste del control de dos elementos son evidentemente válidas para éste.

Cuando se dispone de la medida del caudal del spray se puede usar éste como elemento adicional para un control de caudal (Figura 3-37) que asegure el correcto funcionamiento   de  los  índices  independientemente  de  la  repetibilidad   del elemento de control, como ya se vio en el control de nivel (ver apartado 3.3)

Figura 3-37. Control de temperatura de vapor con caudal de spray

Obviamente el colocar en cascada tres reguladores implica complicaciones de ajuste, además de la inclusión de demoras no deseadas en el lazo, que hacen de este diseño solo aconsejable en situaciones particulares.

Enclavamientos

En los controles en cascada, 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.

Se dará orden de apertura y cierre de la válvula de corte cuando la demanda supere un 3% y se reduzca por debajo de un 1% respectivamente.