control calderas de vapor -...

FWESA9/Abril/2008

Control Calderas de Vapor

Rubén Soriano

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Control Calderas de VaporGeneralidades

Una caldera...

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

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¿Qué es una caldera?

CALDERAINPUTCombustible

Agua de alimentacion

aire

OUTPUTVapor a proceso

Gases de combustionpérdidas

rendimiento

FUNCIONA TRANSFORMANDO ENERGIA

ES UN GENERADOR DE VAPOR

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Transformamos y transferimos la energía

RADIACIÓN

TEMPERATURA GASES(CONVECCIÓN)

COMBUSTIBLE VAPOR DE AGUA

Alta entalpía

Sistema aire-gases Sistema agua-vapor

EnergiaPotencialQuimica

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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 AcuotubularesEl 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 VaporCaldera Pirotubular

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Control Calderas de VaporCaldera Acuotubular

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Diagrama básico de una caldera vapor

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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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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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VENT QUEMHOGAR SC EVAP ECO

CHIMCombustible

ECO

SC

SISTEMA AIRE-GASES

SISTEMA AGUA-VAPOR

BAA

CALD

EVAP

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SISTEMA AIRE-GASES vs SISTEMA AGUA-VAPOR

TemperaturaGases

SOBRECALENTADOR EVAPORADOR ECONOMIZADOR

TemperaturaAgua-Vapor

AguaVapor

Saturado

Vapor Sobrec.

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

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Diagrama T-S de un proceso transformación agua-vapor

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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 vaporsobrecalentado.

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COMPONENTE 1: HOGAR• Liberamos la energía química de los componentes

combustibles por oxidación con aire.

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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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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.

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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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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.

BAA Economizador

Cald.

Gases calientes

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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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Aplicación 1. Calentar procesos.

Vapor de caldera

Agua alimentación a caldera

PROCESO FRIO

PROCESO CALIENTE

REACTOR

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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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Aplicación 2. Mover máquinas.

CALDERA

SC

TURBINA BOMBA

FOCO CALIENTE

FOCO FRIO

Vapor alta presion

Alta temp, alta entalpía

Vapor baja presiónBaja temp, baja entalpía

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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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Aplicación 3. Generación Eléctrica.

CALDERA

ECO

SC

TURBINA ALT

CONDEN

DGBC

BAA

Agua fria

Agua caliente

CA

CA

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Control Calderas de VaporObjetivos 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 VaporIntroducción

• 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.

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Control Calderas de VaporIntroducción

Esquema de control básico de una caldera

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Control Calderas de VaporReguladores PID

Consigna

MEDIDA(Realimentación)

CONTROLADORPID PROCESO

(SP)

+

-

Error

VariableProceso

(PV)

VariableManipulada

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 VaporEjemplo Reguladores PID

LT LC SPPV

AGUAENTRADA

AGUASALIDA

TANQUE

REGULADOR PID

• 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.

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Control Calderas de VaporSistema Agua-Vapor

BAA

FT

LT

TT TTPTFT

ECO

SC 1 SC 2

SPRAY

LT

PT

TT

TT

TT

TT TT

TT

TT

Control

Seguridad

Monitorización

PT

Control Calderas de VaporControl 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 VaporNivel Calderín (Control 1 elemento)

FT

LT

TT TTPT

FT

LCSP

ECO

SC 1 SC 2

BAA

SPRAY

Control Calderas de VaporNivel 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 VaporNivel 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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FT

LT

TT TTPT

FT

LCSP

Σ

ECO

SC 1 SC 2

BAA

SPRAY


• 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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FT

LT

TT TTPT

FT

LCSP

FC

Σ

SP

ECO

SC 1 SC 2

BAA

SPRAY


Relaciones deseadas agua-vapor

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Control Calderas de VaporTemperatura 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 VaporTemperatura Vapor (Control 1 elemento)

FT

LT

TT TT

PTFT

TC

SP

ECO

SC 1 SC 2

BAA

SPRAY

Control Calderas de VaporTemperatura 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 VaporTemperatura Vapor (Control 2 elementos)

FT

LT

TT TT

PTFT

TC TCSP

SP

ECO

SC 1 SC 2

BAA

SPRAY

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

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Control Calderas de VaporControl 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 VaporControl Demanda Carga

FT

LT

TT TT

PT

FT

PCSP

FUEL AIRE

CONTROL COMBUSTION

ECO

SC 1 SC 2

BAA

SPRAY

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Control Calderas de VaporSistema Aire-Gases

VENTIL.

FT

FUEL

AIRE

AT

FT

ECO

CHIMENEA

VALVULA

CAJAVIENTOS

Control

Seguridad

Monitorización

FT TT

PT TT

PT

TT

TT

(*)

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

BS

BS

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Control Calderas de VaporControl 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 VaporControl Combustión

DEMANDAFUEGO

FT

FUEL

AIRE

AT

FT

FC

FCSP

SP

ECO

CHIMENEA

VALVULA

CAJAVIENTOS

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Control Calderas de VaporControl Combustión con limites cruzados

DEMANDAFUEGO

FT

FUEL

AIRE

AT

FT

FC

FC

<

>

SP

SP

ECO

CHIMENEA

VALVULA

CAJAVIENTOS

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Control Calderas de VaporControl 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 VaporControl Combustión con limites cruzados y corrección por O2

DEMANDAFUEGO

FT

FUEL

AIRE

AT

FT

FC

FC

<

>

SP

SP

±

AC SP(variable según carga caldera)

ECO

CHIMENEA

VALVULA

CAJAVIENTOS

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Control Calderas de VaporCurva 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 VaporCurva Exceso de Oxígeno

Exceso de oxígeno en función de la carga

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Control Calderas de VaporSistema 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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