Instrumentación de una caldera
11.2 Calderas de vapor 11.2.1 Generalidades Generalidades Las calderas de vapor se utilizan en la mayoría de industrias debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor. Las centrales de generación por energía solar térmica también utilizan una caldera para convertir el agua en vapor y poder generar energía mecánica y luego energía eléctrica. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor, en toneladas/hora, a una presión especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de la fábrica. A la caldera se le exige, pues, mantener una presión de trabajo constante para la gran diversidad de caudales de consumo en la factoría, por lo cual debe ser capaz de: a) Aportar una energía calorífica suficiente en la combustión del fuel-oil o del gas con el aire. b) Desde el punto de vista de seguridad, el nivel debe estar controlado y mantenido dentro de unos límites. c) Es necesario garantizar una llama segura e n la combustión. d) El sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la operación y en el paro de la caldera. e) El funcionamiento de la caldera debe ser optimizado para lograr una rentabilidad y economía adecuadas, lo cual es posible con un control digital y/o distribuido que permite optimizar la combustión (ahorros del 2% al 10% en combustible) y ganar en seguridad.
11.2.2 Control de combustión La regulación de la combustión se basa en mantener constante la presión de vapor en la caldera, tomándose sus variaciones como una medida de la diferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado. El controlador de la presión de vapor ajusta la válvula de control de combustible. La señal procedente del caudal de aire es modificada por un relé de relación para ajustar la relación entre el aire y el combustible, y pasa a un controlador que la compara con la señal de caudal de combustible. Si la proporción no es correcta, se emite una señal al servomotor de mando del ventilador o a la válvula de mariposa, de modo que el caudal de aire es ajustado hasta que es correcta la relación combustible-aire. En la regulación de la combustión puede darse preferencia, en el mando, al combustible o al aire para que la operación de la caldera corresponda a un sistema determinado de variadas características de seguridad. Estas características de combustión son las siguientes: • Caudal fuel - caudal aire en serie. • Caudal aire - caudal fuel en serie. • Presión de vapor - caudal fuel/caudal vapor - caudal aire en serie. • Caudal aire - caudal fuel en paralelo.
Figura 11.1
Control de combustión
Caudal fuel - caudal aire en serie En el primer esquema de funcionamiento que puede verse en la figura 11.1a, el controlador de presión (master ) ajusta el punto de consigna del controlador de caudal de fuel y esta variable actúa, a través del relé de relación fuel-aire, como punto de consigna del controlador de aire. Como las variaciones del caudal de fuel influyen lentamente en la señal de presión de vapor, el controlador maestro" se ajusta para una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta disposición, si varía la presión del vapor, el caudal de fuel cambia antes que el del aire de combustión. Si se limita el caudal de fuel, lógicamente, también quedará limitado el caudal de aire.
La desventaja principal del sistema es el riesgo de explosión que se presenta ante un fallo de aire en el punto de consigna del controlador de caudal de aire; si así ocurre, no hay aire de combustión, pero el fuel continúa circulando, acumulándose.
Caudal aire - caudal fuel en serie Tal como puede verse en la figura 11.1b, aquí el controlador de presión ( master ) ajusta la señal de aire, el cual ajusta a través del relé de relación el controlador de fuel. El sistema es más seguro que el anterior ya que elimina la posibilidad de formación de una mezcla explosiva cuando falla la señal de aire de combustión.
Figura 11.1 Control de combustión
Una variante de este sistema consiste en utilizar un controlador de carga de la caldera a la salida del "maestro" de presión (común a varias calderas). La salida del controlador de carga es dirigida a dos selectores de máxima y de mínima, lo que permite: ante un aumento de la demanda de vapor la señal pasa al controlador de aire, sin que el fuel o el gas aumente hasta que no lo ha hecho el aire.
Si la demanda de vapor disminuye, el fuel disminuye primero y luego lo hace el aire ; y si la señal de aire falla, el caudal de fuel-oil baja a cero automáticamente.
Presión de vapor - caudal fuel en serie/caudal vapor - caudal aire en serie El sistema representado en la _ gura 11.1c se caracteriza por mantener, con más seguridad, la relación correcta aire-fuel aunque el fuel no sea medido correctamente. El controlador de presión de vapor ajusta el controlador de caudal de fuel. El transmisor de caudal de vapor ajusta el controlador de caudal de aire al sistema de control de combustión. Aunque las variaciones de caudal de vapor sean rápidas, las fluctuaciones que experimenta no lo son tanto como la presión de la línea de vapor principal. Este sistema se emplea con preferencia en calderas de carbón pulverizado. Caudal aire - caudal fuel en paralelo La ventaja principal de este sistema, que puede verse en la figura 11.1d, es su control directo en el fuel y en el aire. De hecho, para mantener una relación correcta fuel-aire conviene incorporar un relé de relación manual al sistema. El sistema _ ene un mayor rendimiento que el sistema en serie pero está limitado a calderas con pequeños cambios de carga. Sistema cruzado de adelanto - retardo (lead-lag) Es parecido al sistema paralelo pero incorpora un enclavamiento entre el fuel y el aire, de tal manera que el caudal de fuel sigue al caudal de aire si aumenta la carga y, si la carga disminuye, es el caudal de aire el que sigue al caudal de fuel. Tiene la ventaja de que previene la condición de peligro de exceso de fuel.
Figura 11.1 Sistema cruzado de adelanto-retardo entre el fuel y el combustible con analizador de oxígeno
Este sistema se recomienda cuando los cambios de carga son oscilantes y dinámicos y permite un control preciso de la relación fuel/aire figura 11.1e).
