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P á g i n a | 1
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE
CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA EN
MECÁNICA
Manual de mantenimiento preventivo, predictivo y de operación para una
caldera pirotubular de 10 bhp para la empresa calderas y automáticos.
Alejandro Camargo Sánchez 20072074012 [email protected]
Leonardo Caro Garzón 20072074016 [email protected]
RESUMEN.
Este trabajo consiste en el proceso de
elaboración de un manual de
operación, mantenimiento preventivo y
predictivo para una caldera pirotubular
de10 BHP para la Empresa Calderas y
Automáticos. El manual de operación
de la caldera incluye el diagrama de
flujo de operación, los elementos
constitutivos y las condiciones de
funcionamiento, también se encuentran
aspectos relevantes como: El correcto
manejo, uso y operación de la caldera,
puesta en servicio, rutinas de
inspección, limpieza y mantenimiento,
de igual manera, se establecen
parámetros de seguridad siguiendo los
criterios de la legislación nacional o
internacional que aplique.
PALABRAS CLAVE:
Caldera, pirotubular, mantenimiento
preventivo, mantenimiento predictivo,
dispositivos, inspección, rutina,
parámetros.
ABSTRACT.
This job consists in the elaboration
process of a manual of operation,
preventive and predictive maintenance
for a boiler firetube 10 BPH for
Calderas y Automáticos Company.
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The operation manual of the boiler
includes flowchart of operation, the
constituent elements and operating
conditions, you will find relevant
aspects such as: the proper handling,
use and operation of the boiler,
commissioning, inspection, cleaning
and maintenance routines, in the same
way, establish security parameters
according to the criteria of national or
international law.
KEYWORDS:
Boiler, firetube, preventive
maintenance, predictive maintenance,
devices, inspection, routine,
parameters.
1. INTRODUCCIÓN.
“Una caldera es un recipiente a presión
con la función de generar vapor de
agua, su diseño es concebido de forma
que se realice un intercambio de
energía, causado por la combustión de
gases u otros combustibles, el agua
absorbe el calor que se genera en la
combustión, produciendo vapor a
elevada presión y temperatura.” [3]
Existen diferentes formas de clasificar
las calderas. Según la potencia y
capacidad de producción de vapor
pueden ser; categoría I: Calderas con
potencia menor de 50 kW, categoría II:
Calderas con potencia mayor de 50
kW y menor o igual a 1000 kW,
categoría III: Calderas con potencia
mayor de 1000 kW y menor o igual a
3000 kW y categoría IV: Calderas con
potencia mayor a 3000 kW.
Según la posición relativa de sus tubos
pueden ser; Pirotubulares (verticales,
horizontales), Acuotubulares, mixtas
(Pirotubular y Acuotubular).
En las calderas pirotubulares el gas de
combustión circula dentro de los tubos
con presiones de operación de 0 a 300
psig y el agua circula por fuera, éstas
calderas se fabrican en capacidades
que van desde 1 BHP hasta 900 BHP,
con presión común de operaciones de
150 psi y 250 psi. Con opción de
cámara posterior seca o húmeda y de
uno hasta cuatro pasos. Su
presentación puede ser en forma
vertical u horizontal.
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La máxima producción de vapor que
se puede conseguir con una caldera
pirotubular es del orden de 30.000 lb/h
y solo produce vapor saturado, son
calderas de bajo costo porque su
fabricación es sencilla.
Para operar y mantener una caldera de
forma adecuada, se debe contar con la
información y capacitación necesaria,
que permita prever cualquier incidente
que pueda poner en riesgo la seguridad
de los trabajadores que operan este
tipo de máquinas o dispositivos de
presión.
En la Empresa Calderas y Automáticos
se fabrican calderas pirotubulares
desde hace más de 20 años, entre las
calderas que ofrece esta la de 10 BHP
de dos pasos, para empresas dedicadas
a la producción de derivados lácteos.
En la actualidad, la empresa no cuenta
con un manual de mantenimiento
preventivo y predictivo para este tipo de
calderas, que son las de mayor demanda,
se observa que es necesario elaborarlo,
para brindar mayor confiabilidad y
satisfacción en el requerimiento de los
clientes.
Es este sentido es importante para la
empresa, contar con un programa de
mantenimiento y un plan de rutinas de
inspección, identificar las posibles
fallas que puede presentar el equipo al
estar expuesto a las condiciones de
trabajo para las cuales fue diseñado,
así se podrá manipular, monitorear y
controlar con la seguridad que se
requiere.
El proyecto nace para abordar estas
necesidades, generar planes y rutinas
de mantenimiento y proponer un
método de seguimiento al sistema de
control y de seguridad, dentro del
mantenimiento predictivo.
Para hacer el manual requerido, se
tiene en cuenta que el mantenimiento
preventivo es de carácter continuo y
propende por la optimización de los
procesos productivos, además de
contribuir a la reducción de paradas de
máquina por fallas y mejorar la
producción con la máxima vida útil del
equipo.
En el caso del predictivo el enfoque
está dado hacia la sugerencia de
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monitoreo de sistemas de control para
determinar fallas prematuras.
Finalmente, se debe atender a las
recomendaciones del fabricante tanto
para la operación del equipo como
para el mantenimiento preventivo y
predictivo sugeridos, además tener en
cuenta las indicaciones realizadas por
los fabricantes de los dispositivos
auxiliares que hacen parte integral del
sistema, esto en función del tipo de
instalación, la aplicación que se tenga
y la zona geográfica en donde opere.
2. OPERACIÓN DE LA
CALDERA
La caldera inicia su operación apoyada
en los sistemas eléctrico, hidráulico y
de combustión; estos permiten su
funcionamiento para la generación de
vapor, a través de la transformación de
energía.
En su primera fase se realiza la
combustión interna dentro de los tubos
de fuego que transfieren calor al
sistema; por el calentamiento del agua
se obtiene el vapor como producto
final, y las pérdidas del sistema se
traducen en condensados y emisiones.
El monitoreo del equipo se efectúa por
medio de los sistemas de control, que
dan cuenta de las condiciones internas
del proceso que se lleva a cabo en el
cuerpo de presión.
En la figura 1, se observa el flujo
enunciado.
Figura 1. Flujo de operación
Fuente: Elaboración propia
2.1 Elementos constitutivos de
una caldera
La caldera pirotubular e 10 BHP está
compuesta por un cuerpo en acero
fuertemente aislado con una compuerta
de inspección de apertura a derecha o
izquierda, un visor de llama integrado
en la puerta, anillos de elevación, un
haz de tubería, turbuladores para tubos
de humos en acero especial,
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aislamientos entre el cabezal del
quemador y la puerta, una brida
mecanizada para el quemador
correspondiente, registros de
inspección, válvulas para purga de
condensados, una válvula de seguridad
y una válvula de asiento para vaciado
de la caldera, el conjunto se observa en
la figura 2.
Figura 2. Componentes de la caldera
Fuente: Elaboración propia
El sistema de alimentación de agua
permite el llenado del cuerpo de
presión desde el tanque de agua de
condensados y está compuesto por la
motobomba centrífuga, una válvula de
esfera, una válvulas de cheque, un
manómetro de caratula, tuberías y
accesorios. Cuenta con el sistema de
purga y tapas de inspección para
permitir las rutinas de mantenimiento.
Figura 3. Sistema de control de nivel
Fuente: Elaboración propia
El sistema de control de nivel y
seguridad, permite el monitoreo para
garantizar el buen funcionamiento de
la maquina accionando la bomba o
deteniendo el sistema en caso de bajo
nivel de agua, el sistema incluye un
control de nivel de agua, control de
presión de vapor, control de
temperatura de agua, un indicador de
nivel de agua, válvulas de aislamiento
de indicadores de nivel, sonda
termostática, presóstato de seguridad
por alta presión, válvula de asiento
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para toma de vapor, manómetro de
esfera y comprobación de manómetro
y válvula de seguridad. Sistema
observado en la figura 4.
Figura 4. Instrumentos de medición
Fuente: Elaboración propia
El sistema eléctrico de potencia, se
encarga del suministro de energía a la
caldera y la protección de los sistemas
constitutivos de la caldera por medio
de reguladores, interruptor general,
contactor, térmico y fusibles de
bombas y de quemador, sistema de
control bajo nivel, totalizador, alarmas,
interruptor de bajo nivel de agua,
tablero eléctrico de control, testigo o
led de encendido.
Figura 5. Sistema eléctrico
Fuente: Elaboración propia
El sistema de control de combustión
consta de dispositivos automáticos
destinados a mantener la presión de
vapor deseada y la proporción correcta
entre el combustible y el aire al variar
la carga. Los controles automáticos
accionan los motores, los cuales,
regulan simultáneamente la
alimentación del combustible y del
aire, como respuesta a las variaciones
de demanda de vapor. Y está
compuesto por; el control de
suministro de combustible y aire,
control de combustión, programación
del encendido y seguridad de llama,
válvulas de cierre rápido para corte de
combustible.
El propósito principal del quemador es
mezclar y dirigir el flujo de
combustible y aire, garantizando la
combustión completa. Los
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atomizadores que utilizan la presión
del combustible, son de tipo mecánico
de flujo único o de flujo de retorno.
Figura 6. Sistema de combustión
Fuente: Elaboración propia
El aire para combustión, o “aire
secundario”, es suministrado por un
soplador. Durante la operación, la
presión de aire aumenta en la cabeza
de la caldera y este es forzado por el
disco difusor para mezclarse
completamente con el combustible y
efectuar una buena combustión,
mediante la mejor proporción aire
combustible.
El abastecimiento de aire secundario
se gobierna por medio de la regulación
automática de la entrega del ventilador
al quemador, por la modulación del
registro rotatorio del aire.
Equipos de tratamiento de agua. En las
plantas que tienen un alto consumo de
agua de alimentación, se instalan
equipos de tratamiento de agua, para
desmineralizarla y desoxidarla antes de
su inyección a la caldera. La
precipitación de sales sobre las
superficies sujetas a calefacción del
lado en contacto con el agua, ocasiona
averías en la caldera; se presenta
exposición de arrastre de sílice por el
vapor. El control y la utilización de
químicos deben ser abalados por un
experto, de acuerdo a las condiciones
del agua suministrada.
La red de distribución de vapor, es el
conjunto de elementos que unen el
generador de vapor a los equipos que
utilizan vapor para su funcionamiento
y consta de los siguientes elementos:
Red de tuberías principales y
secundarias, distribución general,
soportes, anclajes, abrazaderas, juntas,
aislamientos térmicos, válvulas
reductoras de presión, válvulas de
seguridad, sistema de trampas para
evacuación de condensados, red de
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retorno de condensados y purgadores
de aire de las redes.
3. DESARROLLO DEL
MANUAL DE
OPERACIÓN DE UNA
CALDERA
PIROTUBULAR DE
10 BHP
En la elaboración del manual se
establecen criterios técnicos que se
obtuvieron, por medio de una
recopilación de información teórica en
bibliotecas virtuales, bases de datos,
internet, entre otras. Y otra parte de la
información se extrae de la práctica
que se tiene por medio del contacto
físico con las calderas en la empresa
Calderas y Automáticos y el personal
que allí labora.
Para la puesta en marcha de la caldera
pirotubular de 10 BHP de la empresa
Calderas y Automáticos se debe
disponer del manual de operación,
(Anexo 1) y personal que cuente con
las competencias técnicas requeridas
para interpretarlo y darle
cumplimiento.
Tener registros de operación diarios
por cada equipo, permite monitorear el
funcionamiento de la caldera, a través
del seguimiento de: La temperatura de
suministro de agua, el nivel de agua,
los parámetros químicos del agua de
alimentación, temperatura y presión de
salida de vapor principal, presión de
entrada del combustible, operatividad
y presión de la bomba de alimentación
de agua y temperatura de salida de los
gases de la caldera hacia la chimenea.
Como se muestra en el diagrama de
flujo de la figura 7 en revisión de
parámetros del equipo, es importante
conocer los procedimientos de inicio y
parada de la caldera y los parámetros
de operación que brinden la
confiabilidad y seguridad requerida.
Figura 7. Diagrama de flujo de la
operación
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Fuente: Elaboración propia
3.1 Condiciones de
funcionamiento de las
calderas
En la instalación de la caldera se debe
garantizar unas condiciones para su
adecuado funcionamiento y seguridad.
Se recomienda que las calderas estén
dentro de un cuarto a una distancia
mínima de 1 metro a cualquier pared
de forma tal que no se presenten
restricciones para trabajos de
mantenimiento, incluyendo la
operación de los sistemas de limpieza
y deshollinado, purgas y uso de
equipos auxiliares, cuando se
requieran.
La altura de los techos no debe ser
superior a 3m sobre el nivel del suelo y
debe sobrepasar mínimo en 1m, la cota
del punto más alto entre las válvulas o
accesorios más altos y al menos a 2m
sobre las plataformas de la caldera sí
disponen de ella.
Verificar que el cuarto de la caldera
este totalmente libre de polvo, gases y
vapores inflamables y tenga una
ventilación permanente, con
suministro continuo de aire para su
renovación como para combustión.
Utilizar los equipos y elementos de
protección personal adecuados para
reducir los riesgos reales o potenciales
existentes en el cuarto de calderas.
Conocer el sistema operativo de los
quemadores, la secuencia de
encendido y apagado de la caldera, con
operación manual o automática.
Verificar el funcionamiento de todos
los dispositivos de control y seguridad
requeridos para la operación de la
caldera, el sistema de alimentación de
agua, válvula de seguridad, purgas del
control de nivel y fondo de la caldera.
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Comprobar el adecuado
funcionamiento de los dispositivos de
monitoreo y de la caldera como: el
control de nivel, las columnas de agua
en los tambores de vapor, controles de
presión, conexiones a los manómetros
de presión.
Drenar conexiones para verificar que
no estén taponadas de lodos o
sedimentos para su correcto
funcionamiento.
Seleccionar el tamaño adecuado de la
caldera según los requerimientos de
vapor, para evitar ciclos cortos de
operación en calderas sobre
dimensionadas, lo cual disminuye la
eficiencia del sistema.
Aislar térmicamente cualquier
superficie externa con temperatura
superior a 48ºC.
Operar la caldera de tal forma que se
asegure la óptima combustión, limpiar
periódica las superficies de
transferencia de calor, especialmente
en donde se pueda acumular residuos
de calcio, magnesio o silicatos que
forman superficies no conductoras.
Hacer retorno de condensados a la
caldera en la medida que sea posible,
esto disminuye los aportes de agua
tratada y menos vertimientos.
Hacer uso de economizadores de agua
de alimentación.
Hacer recuperación de vapor o
condensado para regenerar vapor de
baja presión para uso en otros
procesos.
Hacer uso de vapor o condensados en
enfriadores o refrigeradores de
absorción.
Recuperar excedentes de calor antes de
entrar a la chimenea, los humos de la
caldera deben entrar a menos de
37.7ºC. [6]
3.2 Parámetros a controlar en
una caldera
Para tener seguridad de que una
caldera tratada químicamente esta en
óptimas condiciones, un análisis del
agua de purga debe estar dentro de
siguientes parámetros:
PH 10.5 - 11.5.
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Dureza Total (CaCO3) 0 - 5 ppm,
Alcalinidad P (CaCO3) 140 a 500 ppm
máximo.
Alcalinidad M (CaCO3) 250 a 1000
ppm máximo.
Sulfitos (Na2SO2) 30 - 50 ppm,
Fosfatos (PO4) 40 - 70 ppm.
Sólidos Totales Disueltos 2500 - 3000
ppm, Cloruros (Cl ) 6 ciclos máximo*
* Los ciclos de concentración se
determinan relacionando el contenido
de cloruros en el agua de alimentación
con los cloruros en el agua de purga,
de acuerdo con la siguiente fórmula.
No. De ciclos de concentración (6
max) = cloruros en agua de purga
cloruros en alimentación. [11]
4. DESARROLLO DEL
MANUAL DE
MANTENIMIENTO
PREVENTIVO
En la elaboración del manual de
mantenimiento preventivo (Anexo 2)
se establece un programa que
contempla actividades definidas en el
diagrama de flujo de la figura 8.
Figura 8. Diagrama de mantenimiento
preventivo
Fuente: Elaboración propia
Dentro de las actividades a incorporar
en el manual se encuentran las
siguientes:
Revisión de la condición del quemador
y placas tubulares.
Lubricación de bombas, motores
eléctricos, verificación de parámetros
eléctricos, ruidos y vibraciones.
Control de la bomba de alimentación,
con registros de temperatura de agua
de alimentación, revisar el nivel de
agua en la caldera y tanque de agua de
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alimentación, verificar dosificación y
control del tratamiento del agua.
Medición y registro de los parámetros
del agua de alimentación y caldera,
comparar con los valores de referencia
establecidos y tomar los correctivos
que apliquen.
Controles de seguridad de encendido
hacer inspección del control de bomba
de agua de suministro, arrancadores y
contactos eléctricos, control de gas y
verificación de alarmas.
Control del programador: Inspección
del ajuste del gas y dámper para
realizar una adecuada mezcla aire-gas
para mejorar la flama, control de
consumo de gas, filtro del gas,
conjunto quemador y sistema de
atomización del gas.
Controles del quemador: verificar
limpieza en boquilla del quemador,
electrodo de encendido. Lubricación
adecuada de motores y rodamientos,
verificar instalación adecuada de
controles de presión y temperatura de
vapor.
Lectura de manómetros verificar
rangos adecuados de presión, lectura
de temperatura dada por el
termómetro, verificación de presión y
temperatura de salida de vapor de la
caldera.
Detectar fugas o inadecuado
funcionamiento de las válvulas de
seguridad.
Tanques auxiliares: Verificar estado
del tanque condensado y el tanque de
suavizador en caso de tenerlo.
La ausencia de un adecuado programa
de mantenimiento preventivo en las
calderas puede derivar en problemas y
deterioro general del equipo. Dentro
de las situaciones que generan
problemas típicos en las calderas, que
reducen su rendimiento y eficiencia y
son causantes de los mantenimientos
correctivos se tienen:
Las incrustaciones en la tubería y
paredes metálicas, además, reducen la
transferencia de calor y aumentan el
consumo de combustible.
La corrosión producida por niveles de
Ph del agua por debajo de 11.5, genera
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depósitos aislantes en la tubería,
haciendo delgado el espesor de las
paredes de las partes metálicas.
La oxidación, por la presencia del
oxígeno en el agua.
La formación de lodos, debido a altos
contenidos de solidos totales disueltos
que se precipitan causando obstrucción
en la tubería.
La formación de espuma por el alto
contenido de bicarbonatos, carbonatos
e hidróxidos.
Estos y otros problemas se deben
evitar a través de los mantenimientos
programados.
5. DESARROLLO DEL
MANUAL DE
MANTENIMIENTO
PREDICTIVO
La propuesta definida para la
elaboración del manual de
mantenimiento predictivo, plantea el
monitoreo y control de sistemas
constitutivos de la caldera a través de
mediciones de señales automáticas que
se reciben en una terminal PC, con el
uso de sensores que tendrán la función
de medir presión, temperatura,
emisiones y nivel de agua.
La finalidad es tener un registro
confiable que permita generar una base
de datos para el análisis de parámetros
de funcionamiento de la caldera y
tomar decisiones con miras a la
optimización de los recursos y la
eficiencia energética.
Además, es importante tener en cuenta
que para que una caldera, pueda entrar
en operación, debe contar con el
dictamen de conformidad expedido por
un organismo de inspección acreditado
por ONAC, previa realización y
aprobación de todas las pruebas y
ensayos requeridos. [6]
Es por esto que es de gran importancia
hacer monitoreo de parámetros y
garantizar la funcionalidad del equipo
no solo en su instalación sino también
a lo largo de su vida útil, por lo que se
recomienda hacer seguimiento a las
actividades mencionadas en el
diagrama de flujo de la figura 9.
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A continuación se listan algunos de
estos requerimientos, que cumplen
actividades contempladas dentro del
mantenimiento predictivo:
Tener en cuenta en la definición de
parámetros medibles, el cumplimiento
de la normatividad ambiental vigente,
en lo relativo a emisiones
atmosféricas, ruido, residuos sólidos y
vertimientos.
Otro aspecto es la presión, para esto se
debe contar con un certificado de
calidad de tuberías, válvulas y
materiales utilizados en las partes de
presión, reportado por el fabricante.
Es recomendable partir de un
certificado de prueba de control de
calidad de la caldera. (Prueba
hidrostática, alivio térmico y análisis
radiográficos, según código ASME o
equivalente); para garantizar una
adecuada operación.
Tener en cuenta los datos de capacidad
nominal de generación de vapor en
kg/h, superficie de calentamiento m2,
presión de diseño en kPa, tipo de
combustible empleado y
especificación del uso de la caldera.
[6]
Figura 9. Diagrama de flujo del
manual de mantenimiento predictivo
Fuente: elaboración propia
Es de gran importancia dentro del
mantenimiento predictivo incorporar
técnicas que permiten mayor control
de las condiciones de operación de las
caderas, a nivel industrial se utilizan
diversidad de métodos de análisis, a
continuación se menciona algunos:
termografía, boroscopia, prueba de
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emisiones, prueba de control de
niveles, entre otras. La técnica más
apropiada será la que se ajuste a los
parámetros a medir y controlar en cada
caso.
6. CONCLUSIONES.
Con la implementación de rutinas, y
planes de mantenimiento preventivo y
predictivo en las calderas se logran
resultados relevantes que redundan en
su adecuado funcionamiento,
eficiencia y mayor seguridad en la
operación.
Se elaboran los manuales de
mantenimiento y operación bajo los
estándares de seguridad y los
lineamientos de la empresa Calderas y
Automáticos.
Se establecen por parte de los
ejecutores del proyecto, criterio
técnicos y mayor conocimiento teórico
practico de las calderas de 10 BHP
fabricadas en la empresa calderas y
automáticos.
Se socializa los manuales con el
gerente de la empresa Calderas y
Automáticos para darnos parte de
satisfacción de acuerdo a sus
expectativas.
El control riguroso de la normatividad
aplicable a calderas hace posible la
generación de estándares de calidad
que permitan la fabricación de equipos
y operaciones confiables para las
aplicaciones requeridas.
Hay un mínimo de pruebas requerido
para que una caldera pueda entrar en
funcionamiento y que sea apta para la
operación normal según su aplicación,
estas dependen del fabricante del
equipo. En adelante y bajo el adecuado
mantenimiento de los sistemas que
conforman la caldera y del agua de
alimentación, es responsabilidad del
dueño tener controles que permitan su
regular mantenimiento y que
propendan por la detección temprana
de fallos que se pueden predecir
mediante equipos especiales para tal
fin.
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