FWESA 9/Abril/2008

Control Calderas de Vapor Rubén Soriano

Control Calderas de Vapor Generalidades

Una caldera... • ¿Qué es?, ¿qué hace? • ¿Cómo funciona?. ¿Qué componentes tiene?. • ¿Para que sirve?.

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Control Calderas de Vapor Generalidades

¿Qué es una caldera? ES UN GENERADOR DE VAPOR FUNCIONA TRANSFORMANDO ENERGIA

Gases de combustion pérdidas

aire rendimiento Combustible

INPUT

CALDERA OUTPUT

Vapor a proceso

Agua de alimentacion 3

Control Calderas de Vapor Generalidades

Transformamos y transferimos la energía RADIACIÓN

COMBUSTIBLE Energia Potencial Quimica

Sistema aire-gases

VAPOR DE AGUA

TEMPERATURA GASES (CONVECCIÓN)

Alta entalpía

Sistema agua-vapor

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Control Calderas de Vapor Generalidades TIPOS DE CALDERAS • Calderas Pirotubulares Los gases de combustión circulan por el interior de los turbos. El agua-vapor por el exterior de los tubos, contenida en un cilindro a presión. Limitaciones en producción, presión y temperatura. Menos seguras. Menor disponibilidad. • Calderas Acuotubulares El agua-vapor circula por el interior de los tubos, los gases por el exterior. Mas caras. Menos compactas.

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Control Calderas de Vapor Caldera Pirotubular

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Control Calderas de Vapor Caldera Pirotubular

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Control Calderas de Vapor Caldera Pirotubular

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Control Calderas de Vapor Caldera Acuotubular

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Control Calderas de Vapor Caldera Acuotubular

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Control Calderas de Vapor Caldera Acuotubular

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Control Calderas de Vapor Generalidades

Diagrama básico de una caldera vapor

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Control Calderas de Vapor Generalidades SISTEMA AGUA-VAPOR • El agua introducida 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.

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Control Calderas de Vapor Generalidades SISTEMA COMBUSTIBLE-AIRE-GASES • Proporciona el calor que se transmite al agua. El aire y combustible se queman en el hogar, el cual está formado por paredes de tubos de agua que reciben el calor radiante de la llama y es por tanto donde se produce mayor transferencia de calor. Los gases de combustión resultantes de esa pérdida de calor se enfrían y abandonan el hogar pasando a la zona recuperadora de calor donde la transferencia es por convección.

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Control Calderas de Vapor Generalidades SISTEMA AIRE-GASES Combustible VENT

CHIM HOGAR

SC

EVAP

ECO

QUEM

SISTEMA AGUA-VAPOR EVAP SC CALD ECO BAA

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Control Calderas de Vapor Generalidades SISTEMA AIRE-GASES vs SISTEMA AGUA-VAPOR Temperatura Gases

Temperatura Agua-Vapor

Vapor Sobrec. Vapor Saturado

SOBRECALENTADOR

EVAPORADOR

Agua

ECONOMIZADOR

Mayor eficiencia cuanto menor sea la temperatura de salida de gases.

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Control Calderas de Vapor Generalidades

Diagrama T-S de un proceso transformación agua-vapor

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Control Calderas de Vapor Generalidades Evolución a-b: • Al agua dentro se la calienta hasta la temperatura de saturación Tsat a partir del cual comienza a cambiar de estado. Esto se realiza a presión constante. Evolución b-c: • Esta evolución, que también se realiza a presión constante, involucra la transformación líquido en vapor y como todo cambio de fase, éste se realiza a temperatura constante e igual a la de saturación Tsat. Evolución c-d: • Esta evolución, que también se realiza a presión constante, involucra el sobrecalentamiento del vapor saturado seco en vapor sobrecalentado.

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Control Calderas de Vapor Generalidades COMPONENTE 1: HOGAR • Liberamos la energía química de los componentes combustibles por oxidación con aire.

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Control Calderas de Vapor Generalidades COMPONENTE 2: EVAPORADOR • Se recupera la radiación liberada y el calor absorbido por los gases y se transfiere al agua de alimentación. • Parte del agua vaporiza a alta presión. • Se separa el agua del vapor en el calderín.

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Control Calderas de Vapor Generalidades

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Control Calderas de Vapor Generalidades CIRCULACION NATURAL CALDERA ACUOTUBULAR

• Los tubos se distribuyen de manera que una parte de ellos quedan en el lado caliente (en contacto con los gases de combustión). • El agua de estos tubos “calientes” es parcialmente evaporada de forma que el vapor asciende hacia el calderín debido a la menor densidad de éste respecto al agua. • El agua de la parte fría circula hacia el inferior debido a la mayor densidad del agua. • A muy altas presiones la diferencia de densidad entre el agua y vapor es mínima y se debe acudir a circulación forzada. 22

Control Calderas de Vapor Generalidades

COMPONENTE 3: SOBRECALENTADOR • Se sobrecalienta el vapor por encima de la temperatura de saturación para aumentar su entalpía. • La temperatura final se controla mediante un spray.

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Control Calderas de Vapor Generalidades

COMPONENTE 4: ECONOMIZADOR • El agua de alimentación se introduce en el calderín casi a temperatura de saturación. • Consumimos menos combustible. Economizamos. • Aprovechamos el calor restante en los gases antes de liberarlos calentando el agua de alimentación. Cald. BAA

Economizador Gases calientes

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Control Calderas de Vapor Generalidades

Aplicación 1. Calentar procesos. • Hay muchos procesos industriales que evolucionan más rápidamente a altas temperaturas. La eficacia y el rendimiento es mayor. • Refinerías de petróleo, industria química y petroquímica, fabricación de papel, alimentación, azúcar, modelado de plásticos... • Transferimos la entalpía del vapor producido en la caldera a otro proceso, elevando su temperatura. El vapor condensa y retorna como agua de alimentación.

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Control Calderas de Vapor Generalidades

Aplicación 1. Calentar procesos. PROCESO FRIO

Vapor de caldera Agua alimentación a caldera

REACTOR

PROCESO CALIENTE

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Control Calderas de Vapor Generalidades

Aplicación 2. Mover máquinas. • Podemos transformar la entalpía del vapor en trabajo mecánico en una turbina, prensa, máquina de vapor etc. • Físicamente se denomina expansión isoentrópica. • Movemos el vapor entre un foco caliente (alta presión, temperatura, entalpía) y un foco frío (baja presión, temperatura, entalpía). • Se utiliza ampliamente en la industria para mover bombas, compresores, prensas hidráulicas...

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Control Calderas de Vapor Generalidades

Aplicación 2. Mover máquinas. FOCO CALIENTE Vapor alta presion SC Alta temp, alta entalpía

CALDERA

TURBINA

BOMBA

Vapor baja presión Baja temp, baja entalpía

FOCO FRIO

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Control Calderas de Vapor Generalidades

Aplicación 3. Generación Eléctrica. • Podemos enviar el vapor a una turbina que a su vez mueve un alternador que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. • El vapor de baja entalpía lo condensamos refrigerando con un medio exterior y cerramos el ciclo dirigiéndolo de nuevo al economizador de la caldera. • Centrales térmicas, autogeneración, cogeneración...

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Control Calderas de Vapor Generalidades

Aplicación 3. Generación Eléctrica. SC

TURBINA

CALDERA

ALT

Agua

ECO

fria

CONDEN Ag

CA DG BC

ua

ca l

i en

te

CA BAA

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Control Calderas de Vapor Objetivos del Control

• Suministro continuo de vapor en condiciones adecuadas de presión y temperatura. • 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.

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Control Calderas de Vapor Introducción

• Conseguir el equilibrio de masa y energía en la caldera ante variaciones de la demanda. • Equilibrio de masas - Control de nivel del calderín. • Equilibrio energético - Demanda de carga. • El control debe estar diseñado para minimizar los efectos de las interacciones de las variables (sistemas multivariables). • Lazos de control: • Simples: variables no influidas o que no influyen en otras. • Multivariables: variables afectadas o que afectan a otras. 32

Control Calderas de Vapor Introducción

Esquema de control básico de una caldera

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Control Calderas de Vapor Reguladores PID

Consigna + (SP)

Variable Proceso (PV)

Error

CONTROLADOR PID

Variable Manipulada

PROCESO

MEDIDA (Realimentación)

Controlador PID • Algoritmo de control cuya acción sobre el proceso está en función del error. • PID= P*[error + (1/Ti)*∫error + Td * ∂error]

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Control Calderas de Vapor Ejemplo Reguladores PID ENTRADA AGUA TANQUE

LT

PV

REGULADOR PID

LC

SP

SALIDA AGUA

•

•

Si el nivel del depósito LT es inferior a la consigna SP fijada, el regulador LC disminuirá su salida, para evacuar menos agua y conseguir que el nivel aumente. Si el nivel del depósito LT es superior a la consigna SP fijada, el regulador LC aumentará su salida, para evacuar mas agua y conseguir que el nivel disminuya. 35

Control Calderas de Vapor Sistema Agua-Vapor SC 1

LT PT

TT

TT

SC 2

FT

PT

TT

PT

LT TT

TT

TT

TT

SPRAY

Control TT

FT

TT

ECO

Seguridad Monitorización

BAA 36

Control Calderas de Vapor Control Nivel Calderín

OBJETIVOS • Mantener nivel del calderín. • Minimizar la interacción con el control de combustión, debido a la variación de la presión del calderín por un suministro desigual de agua. • Cambios suaves en el agua almacenada. • Equilibrar la salida de vapor con la entrada de agua. • Compensar variaciones de presión del agua de alimentación.

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Control Calderas de Vapor Nivel Calderín (Control 1 elemento) SC 1

TT

PT

SC 2

TT

LT

SP

FT

SPRAY

LC

FT

ECO

BAA 38

Control Calderas de Vapor Nivel Calderín (Control 1 elemento)

PROBLEMAS •

El típico control de nivel no es adecuado debido al esponjamiento y contracción que se produce en el nivel ante cambios de carga, siempre se mueve en la dirección opuesta a la que intuitívamente se espera que ocurra. • Al incrementar la demanda, la presión disminuye → aumenta la evaporación y el tamaño de las burbujas (esponjamiento) → aumento temporal del nivel. • Al disminuir la demanda, la presión aumenta → disminuye la evaporación y el tamaño de las burbujas (contracción) → disminución temporal del nivel.

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Control Calderas de Vapor Nivel Calderín (Control 2 elementos)

• La medida de caudal de vapor actúa como señal índice que anticipa las variaciones en el consumo. • Diseño adecuado para cambios de carga rápidos. • Imprescindible que la relación entre la posición del elemento de control y el caudal aportado no cambie y sea conocido. • No tiene en cuenta variaciones en la presión de suministro de agua.

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Control Calderas de Vapor Nivel Calderín (Control 2 elementos) SC 1

TT

PT

SC 2

TT

LT

SP

SPRAY

LC

FT

Σ

FT

ECO

BAA 41

Control Calderas de Vapor Nivel Calderín (Control 3 elementos)

• Se añade el caudal de agua de alimentación, para evitar los problemas sobre la repetitividad en el elemento final. •

Se elimina la influencia de la presión de suministro.

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Control Calderas de Vapor Nivel Calderín (Control 3 elementos) SC 1

TT

PT

SC 2

TT

LT

SP

SPRAY

LC

FT

Σ

SP FC

FT

ECO

BAA 43

Control Calderas de Vapor Nivel Calderín (Control 3 elementos)

Relaciones deseadas agua-vapor

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Control Calderas de Vapor Temperatura Vapor (Control 1 elemento) • Mantener la temperatura del vapor dentro de un rango independientemente de la carga, sólo para calderas de vapor sobrecalentado.

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Control Calderas de Vapor Temperatura Vapor (Control 1 elemento) SC 1

SC 2

FT

PT

LT TT

SPRAY

TT

TC SP

FT

ECO

BAA 46

Control Calderas de Vapor Temperatura Vapor (Control 2 elementos) • Se incluye la medida de temperatura del vapor tras el spray. • Se consigue una acción correctiva frente a perturbaciones antes de la entrada del sobrecalentador final (Ej.: las modificaciones en el caudal y temperatura de spray son detectadas más rápidamente). • Se incluye también una protección para evitar la saturación del vapor antes de la entrada del vapor al sobrecalentador final.

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Control Calderas de Vapor Temperatura Vapor (Control 2 elementos) SC 1

SC 2

FT

PT

LT TT

SPRAY

TC

TT

SP

TC SP

FT

ECO

El SP del controlador esclavo se limitará para que nunca sea inferior a la temperatura de saturación

BAA 48

Control Calderas de Vapor Control Demanda Carga

OBJETIVOS • Generar la señal de demanda de carga a los quemadores para mantener el equilibrio entre la energía demandada y la energía entregada. • La presión de vapor indicará si este equilibrio es mantenido: ‰ Si la presión se mantiene en su consigna significa que Energía entregada = Energía demandada ‰ Si la presión es inferior a su consigna significa que Energía entregada < Energía demandada ‰ Si la presión es superior a su consigna significa que Energía entregada > Energía demandada

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Control Calderas de Vapor Control Demanda Carga SC 1

TT

SC 2

FT

TT

LT PT

SPRAY SP

FUEL FT

PC

AIRE

ECO CONTROL COMBUSTION

BAA 50

Control Calderas de Vapor Sistema Aire-Gases VALVULA FUEL FT

PT

TT PT

(*) (*) Solo en combustibles líquidos como fuel-oil que necesitan alta temp. (aprox. 100-140ºC) para poder ser quemados

TT BS

ECO TT

BS CAJA VIENTOS

AT CHIMENEA

Control FT VENTIL. AIRE

FT

TT

Seguridad Monitorización

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Control Calderas de Vapor Control Combustión

OBJETIVOS • Mantener la relación entre caudal de aire y combustible de acuerdo a la demanda (equilibrio energético). • Mantener una relación entre los caudales de aire y combustible que asegure que existe oxígeno suficiente para que la combustión se produzca de forma completa y segura. • Mantener el exceso de aire mínimo que permita conseguir los mayores niveles de eficacia posibles. • Mantener la demanda de los quemadores dentro de límites de su capacidad de operación.

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Control Calderas de Vapor Control Combustión VALVULA FUEL FT FC SP

DEMANDA FUEGO

ECO

CAJA VIENTOS

AT CHIMENEA

SP FC FT

AIRE

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Control Calderas de Vapor Control Combustión con limites cruzados VALVULA FUEL FT FC SP < DEMANDA FUEGO

ECO > CAJA VIENTOS

AT CHIMENEA

SP FC FT

AIRE

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Control Calderas de Vapor Control Combustión sin corrección por O2 •

Si el exceso de O2 aumenta → se reduce la temperatura de la llama → redución transmisión de calor por radiación y aumentando las pérdidas por chimenea pues el exceso de aire sale a la misma temperatura que los gases de combustión.

•

Si el exceso de O2 disminuye → inquemados con las siguientes consecuencias: • Combustión insegura, riesgo de explosión. • Se depositan en los tubos, reduciéndose la transferencia de calor, dando lugar a una reducción de la eficiencia

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Control Calderas de Vapor Control Combustión con limites cruzados y corrección por O2 VALVULA FUEL FT FC SP < DEMANDA FUEGO

ECO > CAJA VIENTOS

±

AT CHIMENEA

SP FC FT

AC

SP (variable según carga caldera)

AIRE

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Control Calderas de Vapor Curva Exceso de Oxígeno •

El exceso de aire a bajas cargas debe ser alto debido a que la mezcla de combustible aire es poco efectiva (bajas cargas → caudal aire bajo → velocidad aire bajo → mezcla poco efectiva).

•

El exceso de aire a altas cargas puede ser más cercano a los valores estequiométricos.

•

El exceso de aire es bajo en combustibles gaseosos por su facilidad de mezclarse con el aire.

•

Los combustibles líquidos precisan de unos excesos de aire mayores en función de su atomización (mayor superficie de contacto con el aire). En combustibles sólidos el exceso de aire será aún mayor.

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Control Calderas de Vapor Curva Exceso de Oxígeno

Exceso de oxígeno en función de la carga 58

Control Calderas de Vapor Sistema de Sopladores OBJETIVOS • Limpieza de las superficies de intercambio de calor (sobrecalentador, evaporador, economizador) para mantener la eficiencia de la caldera. • Se tendrá en cuenta el coste del soplado (caudal de vapor, erosión de los tubos de caldera) contra la reducción de la eficiencia de la caldera por alta temperatura en los gases de salida. • La secuencia de soplado irá en el sentido de los gases.

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Control Calderas de Vapor Sistema de Sopladores

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Control Calderas de Vapor Sistema de Sopladores

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Control Calderas de Vapor Sistema de Sopladores

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Control Calderas de Vapor Sistema de Sopladores

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