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• Marcelo Torres

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UTILIDADES Caldera

SUMÁRIO 1.

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 6

2.

LA GENERACIÓN DE VAPOR ................................................................................................. 6

2.1. DEFINICIONES INICIALES .............................................................................................................. 7 3.

GENERADORES DE VAPOR Y CLASIFICACIONES ............................................................... 8

3.1. CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR DE ACUERDO A LA CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS DENTRO DE LOS TUBOS DE LA CALDERA ............................................................................................... 8

3.1.1. Calderas humotubulares .......................................................................................................... 8 3.1.2. Calderas acuotubulares ........................................................................................................... 9 3.2. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA PRESIÓN DE TRABAJO DE LA CALDERA ...................................... 10 3.2.1. Calderas de baja presión ....................................................................................................... 10 3.2.2. Calderas de media presión .................................................................................................... 10 3.2.3. Calderas de alta presión ........................................................................................................ 10 3.2.4. Calderas supercríticas ........................................................................................................... 10 3.3. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA PRODUCCIÓN DE VAPOR .......................................................... 10 3.3.1. Calderas chicas ..................................................................................................................... 10 3.3.2. Calderas medianas ................................................................................................................ 10 3.3.3. Calderas grandes .................................................................................................................. 10 3.4. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL COMBUSTIBLE UTILIZADO ............................................................ 11 3.4.1. Calderas de combustibles líquidos ........................................................................................ 11 3.4.2. Calderas de combustibles gaseosos ..................................................................................... 11 3.4.3. Calderas de combustibles sólidos.......................................................................................... 12 3.5. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA CIRCULACIÓN DEL AGUA DENTRO DE LA CALDERA ...................... 13 3.5.1. Circulación natural ................................................................................................................. 13 3.5.2. Circulación asistida ................................................................................................................ 13 3.5.3. Circulación forzada ................................................................................................................ 14 3.6. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL INTERCAMBIO DE CALOR ............................................................. 15 3.6.1. Radiantes o de radiación total ............................................................................................... 15 3.6.2. Convectivos ........................................................................................................................... 15 3.6.3. De calentamiento indirecto .................................................................................................... 15 4.

PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA CALDERA .......................................................... 16

5.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UNA CALDERA ACUOTUBULAR ..................................... 19

6.

DEFINICIONES PARA CÁLCULOS EN CALDERAS ............................................................. 20

6.1. CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE VAPOR ..................................................................................... 20 6.2. RENDIMIENTO GLOBAL ............................................................................................................... 20 6.3. VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN .................................................................................................. 21 6.4. FACTOR DE VAPORIZACIÓN ........................................................................................................ 21 6.5. VAPORIZACIÓN EQUIVALENTE ..................................................................................................... 21 6.6. BALANCE TÉRMICO ................................................................................................................. 21 6.7. CALOR ABSORBIDO.................................................................................................................... 21 7.

ELEMENTOS AUXILIARES DE LA CALDERA ...................................................................... 22

7.1. SOPLADORES ........................................................................................................................ 22 7.1.1. Tipos de sopladores .............................................................................................................. 24 7.1.2. Aplicación de los sopladores a los diversos tipos de calderas ............................................... 29 7.1.3. Medios de control .................................................................................................................. 31 7.2. VÁLVULAS DE SEGURIDAD Y DESAHOGO .......................................................................... 32 7.3. SISTEMAS DE MANIPULACIÓN DE CENIZA .......................................................................... 34 7.3.1. Sistemas de escoria .............................................................................................................. 35 7.3.2. Cenicero lleno de agua .......................................................................................................... 36 7.3.3. Transportador de cadena sumergida ..................................................................................... 37 7.3.4. Sistema de piritas .................................................................................................................. 38 7.3.5. Sistema de ceniza del paso de convección de la Caldera...................................................... 39 7.3.6. Sistemas de manipulación de ceniza seca en polvo .............................................................. 39 7.3.7. Transporte neumático ............................................................................................................ 39 7.3.8. Transporte mecánico ............................................................................................................. 41 7.3.9. Los transportadores de cadena ............................................................................................. 41 7.3.10. Almacenamiento de ceniza y descarga ............................................................................... 42 7.4. CORTATIROS DE AIRE Y DE HUMOS .................................................................................... 43 7.4.1. Cortatiros de persianas .......................................................................................................... 43 7.4.2. Cortatiros de lenteja............................................................................................................... 44 7.4.3. Cortatiros de compuerta ........................................................................................................ 44 7.5. CHIMENEAS ........................................................................................................................... 45 7.6. SISTEMA ATEMPERADOR DE CONDENSACIÓN.................................................................. 46

8.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD ...................................................................... 49

8.1. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE AGUA (CALDERAS PIROTUBULARES) .......................... 49 8.2. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE COMBUSTIBLE.......................................................... 49 8.3. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD EN LA ATOMIZACIÓN AIRE-VAPOR ............. 50 8.4. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD AIRE COMBUSTIÓN ...................................... 50 8.5. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE CALDERAS MODULADAS ....................... 50 8.6. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DEL REGULADOR (DÁMPER) DE TIRO FORZADO………. .......................................................................................................................... 51 8.7. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE LLAMA...................................................... 51 8.8. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE TANQUES DE CONDESADOS................. 51 8.9. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD EN EL TANQUE DIARIO DE COMBUSTIBLE. 51 8.10.CONTROL PARA SEGURIDAD DE GAS EN CHIMENEA ....................................................... 51 8.11.CONTROL PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE VAPOR DE LA CALDERA ............................ 52 8.12.CONTROL PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE LA IGNICIÓN A GAS O ACPM ....................... 52 8.13.VÁLVULAS DE SEGURIDAD .................................................................................................. 52 8.14.PURGAS ................................................................................................................................ 52 9.

FALLAS EN CALDERAS ........................................................................................................ 53

9.1. FALLAS EN EL ARRANQUE .................................................................................................... 53 9.2. FALLAS EN EL ENCENDIDO .................................................................................................. 53 9.3. FALLAS EN LOS MATERIALES............................................................................................... 54 9.3.1. Por corrosión ......................................................................................................................... 54 9.3.2. Por Sobrecalentamiento ........................................................................................................ 54 9.3.3. Soldadura y construcción....................................................................................................... 54 9.3.4. Implosión y explosión ............................................................................................................ 55 10. PRUEBAS Y MANTENIMIENTO EN CALDERAS................................................................... 55 10.1.PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO, CAPACIDAD Y RENDIMIENTO EN CALDERAS ........... 55 10.2.MANTENIMIENTO EN CALDERAS ........................................................................................ 56 10.2.1. Mantenimiento diario ........................................................................................................... 56 10.2.2. Mantenimiento mensual ...................................................................................................... 56 10.2.3. Mantenimiento semestral .................................................................................................... 57 10.2.4. Mantenimiento anual ........................................................................................................... 57 11. NORMAS DE DISEÑO ............................................................................................................ 58

12. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 59

1. INTRODUCCIÓN La generación de vapor para el accionamiento de las turbinas y para el uso en la planta de fabricación de celulosa se realiza en instalaciones generadoras comúnmente denominadas calderas. La instalación comprende no sólo la caldera propiamente dicha, sino, además, componentes principales y accesorios tales como:

Economizadores y chimeneas; Sobrecalentadores y recalentadores; Quemadores y alimentadores de aire; Condensadores; Bombas y tanques de alimentación; Domos;

En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y posiblemente el recalentamiento y sobrecalentamiento del vapor. La caldera puede incluir en su estructura alguno de los componentes citados. Las calderas primitivas consistían en un gran recipiente lleno de agua que era calentado por un fuego en su parte inferior. El gran volumen de agua en estado de ebullición generaba fácilmente situaciones de gran riesgo al excederse la presión máxima admisible. Para aumentar la superficie de contacto gas-metal, y disminuir la cantidad de agua en ebullición se crearon primero las calderas humotubulares, en las que los gases de combustión circulan por tubos inmersos en el agua. El próximo paso en el desarrollo fue la creación de las calderas acuotubulares, en las que el agua circula por tubos que forman las paredes del hogar. De este modo se maximiza la transferencia de calor y se minimiza el volumen de agua reduciendo el riesgo de explosión.

2. LA GENERACIÓN DE VAPOR Cuando fornecemos calor al agua iremos variar su entalpia que es la cantidad de energía por cada kg de masa y también iremos variar su estado físico. 6

A medida que lo calentamos, incrementaremos más su temperatura y consecuentemente su densidad disminuirá, lo que lo hará más leve. A medida que fornecemos calor al líquido, sus moléculas van adquiriendo energía hasta lograren vencer a las fuerzas que las mantienen unidas en la forma líquida. La rapidez de la formación del vapor es dependiente de la intensidad del calor fornecido. La pureza del agua y la presión absoluta ejercida sobre ella son los factores que irán imponer la temperatura en la cual se produce la ebullición. De esa manera, cuanto menor fuere la presión, menor será la temperatura de ebullición del agua, vea la tabla 01.

Temperatura de Ebullición

(ºC)

Tabla 01 – Variación de la temperatura de ebullición con la presión

2.1.

DEFINICIONES INICIALES

Vapor Saturado Llamamos “Vapor Saturado” al vapor producido en la temperatura de ebullición y en la su presión absoluta.

Tiene-se: Vapor saturado húmedo: cuando contiene partículas de agua en suspensión; Vapor saturado seco: cuando no contiene partículas de agua en suspensión;

Calor Sensible (hs) Es la cantidad necesaria de calor para elevar 1 Kg de agua de 0ºC hasta su temperatura de ebullición. 7

Calor Latente (hlat) Es la cantidad necesaria de calor para convertir 1 Kg de agua líquida para vapor seco a la misma temperatura y presión. Obs: El calor latente disminuye con el incremento de la presión absoluta del vapor.

Entalpia Total (hTOT) Es la suma del calor sensible y el calor latente.

hTOT = hs + hlat o hTOT = hs + x.hlat

Donde x es el título (de 0 a 1).

3. GENERADORES DE VAPOR Y CLASIFICACIONES Es un aparato térmico en cual se produce vapor empezando del calentamiento de un fluido vaporizante. En la práctica se adoptan algunos nombres: Calderas de Vapor: Son los generadores de vapor más simple, queman algún tipo de energía como fuente generadora de calor. Calderas de Recuperación: Son aquellos generadores donde no se utilizan combustibles como fuente generadora de calor, pero aprovechan el calor residual de los procesos industriales. Calderas de Agua Caliente: Son aquellos donde el fluido no se vaporiza, siendo este aprovechado en fase líquida (procesos químicos). Generadores Reactores Nucleares: Son aquellos que producen vapor utilizando como fuente de calor la energía liberada por combustibles nucleares (uranio enriquecido).

3.1.

CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE VAPOR DE ACUERDO A LA CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS DENTRO DE LOS TUBOS DE LA CALDERA

3.1.1. Calderas humotubulares 8

En estas calderas son los humos los que circulan por dentro de tubos, mientras que el agua se calienta y evapora en el exterior de ellos. Todo este sistema está contenido dentro de un gran cilindro que envuelve el cuerpo de presión (FIGURA 01)

FIGURA 01 -Calderas humotubulares

3.1.2. Calderas acuotubulares

Por dentro de tubos circula el agua y la mezcla de agua y vapor. Por fuera, generalmente en flujo cruzado, intercambian calor los humos productos de la combustión. En este tipo de calderas además el hogar (recinto donde se produce la combustión) está conformado por paredes de tubos de agua. En ellas el intercambio es básicamente por radiación desde la llama. Vea FIGURA 02.

FIGURA 02 -Caldera acuotubular

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3.2.

CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA PRESIÓN DE TRABAJO DE LA CALDERA

3.2.1. Calderas de baja presión Calderas que producen vapor a baja presión, hasta unos 4 o 5 kgf/cm². Este rango de presiones es más común en las calderas de agua caliente que en las calderas que generan vapor. 3.2.2. Calderas de media presión Producen vapor hasta aproximadamente 20 kgf/cm². Generalmente vapor saturado, utilizadas en la industria en general. 3.2.3. Calderas de alta presión Asociadas a ciclos de potencia, trabajan con presiones de 20 kgf/cm² hasta presiones cercanas a la crítica. 3.2.4. Calderas supercríticas Son calderas que trabajan con presiones superiores a la crítica: 225,56 ata, 374,15 ºC. Utilizadas en grandes plantas de generación de energía eléctrica, en EEUU y en algunos países de Europa, también hay algunas en Japón.

3.3.

CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA PRODUCCIÓN DE VAPOR

3.3.1. Calderas chicas Producen hasta 1 o 2 toneladas de vapor saturado por hora. 3.3.2. Calderas medianas Producciones de hasta aproximadamente 20 toneladas de vapor por hora. 3.3.3. Calderas grandes Calderas que producen desde 20 toneladas de vapor por hora, siendo normal encontrar producciones de 500 y 600 toneladas por hora. Generalmente vapor sobrecalentado, siendo calderas acuotubulares.

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3.4.

CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL COMBUSTIBLE UTILIZADO

3.4.1. Calderas de combustibles líquidos Se fabrican Generadores de Vapor de todo tipo y tamaño que utilizan combustibles líquidos. Requieren de instalaciones de almacenaje y tanques de servicio, de elementos de precalentamiento del fuel y de sistemas de bombeo y transporte. La viscosidad de estos combustibles varía desde 30 – 40 cSt (100ºC) en los fueles de baja viscosidad hasta 700 cSt (100ºC) y más para combustibles de alta viscosidad, como los utilizados en sistemas de generación eléctrica. En las plantas industriales en general se utilizan fueles de viscosidad del orden de 380 - 450 cSt (100ºC). Es normal tener que precalentarlos a 30 – 40ºC para reducir su viscosidad y poder bombearlos hasta los quemadores. Para una buena atomización del combustible en quemadores que no utilicen vapor para atomizar se requiere una viscosidad de 25 a 30 cSt (100ºC), y utilizando atomización con vapor se pueden manejar viscosidades entre 55 y 70 cSt (100ºC), por lo tanto es necesario precalentar el combustible a temperaturas desde 80 a 130 ºC en el quemador. En unidades grandes es común arrancar con un combustible de baja viscosidad y luego pasar a utilizar uno más viscoso. Los quemadores que utilizan combustibles líquidos se instalan generalmente horizontales. Hay algún tipo de quemadores de ángulo regulable para poder variar el intercambio por radiación en el hogar. La turbulencia del aire que entra al quemador es importante para obtener una correcta combustión y un largo de llama apropiado, de tal manera que no dañe las paredes de refractario o las paredes de tubos de agua y al mismo tiempo asegure una combustión completa de todas las gotas de fuel. Para esto es fundamental el dimensionamiento correcto del tamaño del hogar. 3.4.2.

Calderas de combustibles gaseosos

Utilizan tanto gas natural como GLP, aire propanado o gas obtenido en gasificadores. Generalmente los quemadores de gas trabajan con muy baja presión, por lo que es común que tengan sistemas de reducción de presión importantes. En el caso de tener asociado un gasificador que suministre un gas muy particulado se utilizan cámaras torsionales a fin de aumentar el tiempo de permanencia del combustible en el hogar. Es importante lograr una buena mezcla de aire-gas. 11

Con los combustibles gaseosos el riesgo de explosiones por acumulación de combustible no quemado es grande, por lo que es sumamente importante prever las medidas de seguridad adecuadas. La posición de los quemadores de gas es similar a la de los que utilizan combustibles líquidos. Es común utilizar quemadores duales, que permitan el uso de uno u otro combustible, dependiendo de su disponibilidad y costo. La emisividad de las llamas de estos combustibles es diferente, por lo que el intercambio por radiación resultará distinto según el combustible utilizado, Lo mismo ocurre con la temperatura de los humos a la salida del hogar y con las condiciones de intercambio en las zonas convectivas de la caldera. Son factores que hay que tener en cuenta, ya que modifican los resultados obtenidos en el equipo. De cualquier manera el fuel oil y el gas natural son de los combustibles los más fácilmente intercambiables. 3.4.3. Calderas de combustibles sólidos Los combustibles sólidos utilizados son muy variados: leña en todos los tamaños (rolos, astillas, chips), desechos de producción (pellets de madera, aserrín, bagazo de caña de azúcar, cáscara de arroz), carbón (en distintos grados de pulverización), etc. Cada uno requerirá una tecnología apropiada para poder quemarlos de la mejor manera, desde molinos para pulverizarlos finamente hasta grillas muy sofisticadas. El diseño del hogar para estos combustibles es sumamente complejo, teniendo que considerar el ingreso de aire suficiente y su correcta mezcla con el combustible, la permanencia de las partículas en el hogar para quemarse completamente y la disposición de las cenizas entre otros factores. En general resultan hogares de mayor volumen que los utilizados en calderas de combustibles líquidos y gaseosos. Los combustibles polvorientos, finamente molidos se inyectan en el hogar mediante toberas apropiadas. Hay algún tipo de combustible que se quema en un lecho fluidizado, regulado mediante el ingreso de aire a distintas alturas del hogar. (Este sistema se utiliza también en las calderas de recuperación de la industria de la celulosa). En el caso de combustibles no polvorientos el diseño de las grillas que los sostienen durante la combustión es de fundamental importancia. En países desarrollados se utilizan calderas que queman los residuos sólidos urbanos.

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3.5.

CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA CIRCULACIÓN DEL AGUA DENTRO DE LA CALDERA

Es una clasificación que tiene sentido en las calderas acuotubulares, en las humotubulares la circulación del agua en el interior es siempre por convección natural. 3.5.1. Circulación natural La circulación del agua y de la mezcla agua-vapor ocurre naturalmente debido a la diferencia de densidades entre el agua más fría y la mezcla de agua-vapor (efecto sifón), vea FIGURA 03. Implica entonces tener un circuito cerrado por donde circula el agua y una diferencia de altura apreciable entre las partes altas y bajas del equipo. Los generadores chicos, los de potencia mediana y una buena parte de los grandes generadores de vapor son de circulación natural.

FIGURA 03 -Caldera acuotubular

3.5.2. Circulación asistida En este caso la circulación natural en los tubos de la caldera es complementada por bombas instaladas en el circuito, vea FIGURA 04. En este caso también la caldera consiste en un circuito cerrado, pero permite construcciones más compactas incluso con tubos inclinados. Se utiliza en aquellos caso en que la diferencia entre las densidades del fluido frío y del caliente no es demasiado grande, típicamente para presiones superiores a los 140-160 bar. 13

Brindan una respuesta más rápida ante variaciones en la demanda de vapor que los de circulación natural, pero las bombas trabajan con agua caliente y a altas presiones, son más costosas y requieren importantes mantenimientos. En general se debe instalar un sistema de respaldo para evitar la parada de toda la caldera por salida de servicio de la bomba.

FIGURA 04 -Caldera acuotubular

3.5.3. Circulación forzada Este tipo de calderas tiene una concepción distinta puesto que se trata de un circuito abierto y no cerrado, vea la FIGURA 05. La bomba impulsa el agua a través de una primer superficie de intercambio donde se precalienta, luego pasa a un segundo intercambiador donde se vaporiza y luego, en algunos casos, pasa a un tercer intercambiador donde se sobrecalienta. A diferencia de las anteriores no hay una masa de agua circulando sin vaporizarse, la bomba entrega toda el agua que se vaporiza. No hace falta resaltar la importancia de la bomba en este diseño, un paro de la bomba implica un paro de la caldera.

FIGURA 05 -Caldera acuotubular

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3.6.

CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL INTERCAMBIO DE CALOR

Hay que aclarar previamente que no es una clasificación estricta, refiere al tipo de intercambio predominante que se da en las superficies de vaporización (se excluyen los intercambios en las superficies de recuperación: precalentadores y sobrecalentadores). En todas las calderas se tienen intercambios por radiación y por convección, difícilmente se encuentre uno solo de estos tipos. En el hogar el intercambio es predominantemente por radiación desde la llama, pero hay zonas del mismo donde se puede producir intercambio por convección desde el flujo de humos (por ej. en la última parte del hogar de una caldera humotubular). Así mismo en las restantes superficies de intercambio (bancos de convección y tubos de humos), además del intercambio convectivo podemos tener radiación desde los gases a alta temperatura.

3.6.1. Radiantes o de radiación total Son aquellas calderas que solo tienen hogar, y allí prácticamente todo el calor es intercambiado por radiación. En general se trata de calderas acuotubulares grandes, donde los tubos en donde se genera el vapor conforman las paredes del hogar. Las altas temperaturas que se tienen en la combustión hacen que se tenga un intercambio muy importante de calor por radiación. Además estas calderas trabajan a presiones elevadas, con lo que el calor de vaporización necesario es relativamente bajo, y al utilizar agua de alimentación previamente calentada hasta temperaturas muy cercanas a la de saturación, se consigue que las paredes de tubos del hogar sean suficientes para transferir todo el calor de vaporización necesario.

3.6.2.

Convectivos

Típicamente son las calderas HRSG (Heath Recovery Steam Generator), sin cámara de combustión. Utilizan un fluido caliente como fuente de calor, producto de algún proceso previo (hornos de fundición, hornos de vidrio, turbinas de gas, motores diesel, etc.) 3.6.3. De calentamiento indirecto Son calderas de fluídos térmicos en las que se calienta un fluido intermedio, típicamente un aceite, y este es el que al circular por un intercambiador, genera el vapor de agua. El fluido es nuevamente reciculado hacia la caldera.

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4. PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA CALDERA

Calentadores de aire: Aprovecha el calor residual de los gases de combustión precalentando el aire utilizado en la quema del combustible. Se calienta el aire entre 120 y 300 ºC, según el tipo de instalación y del tipo de combustible. Cámara de Combustión: Las veces se la confunden con el horno, al mismo tiempo que en otras calderas es completamente independiente. Se trata de un volumen que tiene la función de mantener la llama en una temperatura elevada con duración suficiente para que el combustible se queme totalmente antes que los productos lleguen a los fajos de cambio de calor. Domo de vapor: Constituida por un vaso cerrado a la presión contiendo agua que será cambiado en vapor. Chimenea: Tiene la función de sacar los gases de la instalación arrojándolos en la atmósfera. (tiro).

Cenicero: Sitio donde se hacen la deposición de las cenizas e el restante del combustible que salen del horno. Conductos de Humos: Son canales que conducen los gases de combustión hasta la chimenea. Economizador: Utilizando el calor residual de los gases, calienta el agua de alimentación. Es normalmente instalado después de los sobrecalentadores. Además de mejorar el rendimiento de la unidad, su instalación minimiza el choque térmico entre el agua de alimentación y el agua que viene del domo de vapor. Es normalmente instalado después de los sobrecalentadores. Además de mejorar el rendimiento de la unidade, sua instalación minimiza el choque térmico entre el agua de alimentación y el agua existente em el domo. Horno: Principal equipo para la quema del combustible. Entre la sus funciones están incluidas: La mescla aire-combustible para atomización y vaporización del combustible y la conservación de una quema continua de la mescla. 16

Parillas: Utilizadas para amparar el material dentro del horno, pudiendo ser fijas, rotativas y inclinadas. Recalentador: Tiene la función similar al de los sobrecalentadores. La su presencia es necesario cuando se desea incrementar la temperatura del vapor proveniente de los estadios de una turbina.

Retentor de hollín: Tiene como función la separación del hollín resultante de la quema no estequiométrica del combustible y de los gases que salen por la chimenea. Sobrecalentador: Consiste de uno o mas fajos

tubulares, destinados a incrementar la

temperatura del vapor generado en la caldera. Alarma de falta de agua: Señal sonoro y luminoso que se alarma cuando el nivel de agua en la caldera está muy bajo.

Controlador de Nivel: Son equipos que controlan el nivel de agua en la caldera. Pueden ser constituidos de distintas formas, siendo los más utilizados los de electrodos e el sistema de boya. Fusible térmico (tampón): Consiste de un tornillo contiendo un agujero el el centro, siendo llenado con ligas de metal de bajo punto de fusión. Es instalado en un punto abajo del cual el agua no puede se quedar. Ocurriendo un problema, la temperatura del material se incrementa, logrando la fusión del material de relleno y permitiendo el pasaje del agua que apagará el fuego del horno. Indicadores de Presión (manómetros): Son instrumentos utilizados para la medición de líquidos, gases y vapores.

Inyector de Agua: Es un dispositivo destinado a la alimentación de agua, como alternativa en caso de falla de las bombas. Su operación es basada en el escurrimiento de vapor proveniente de la propia caldera a través de una serie de tubos convirtiendo la energía del vapor en energía cinética creando una depresión suficiente para succionar el agua y presionarla hasta el nivel de operación de la caldera.

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Presostatos: Son dispositivos de seguridad que controlan el régimen de trabajo de las calderas de acuerdo con la presión de vapor. Purificadores de Vapor: Son dispositivos auxiliares que tienen la finalidad de minimizar el arrastre de humedad, sales y sólidos suspendidos.

Válvulas de Seguridad: Tiene como función promover la fuga del exceso del vapor caso la presión de trabajo venga a ser superada y otros dispositivos no actúen.

Válvulas: Tienen como función interrumpir o controlar el pasaje de un fluido Tipos de Válvulas: De retención: colocadas en las líneas vapor y aceite para evitar el reflujo; De extracción o de fondo (drenaje): permite sacar las impurezas del agua que se depositan en el fondo del domo de vapor; De descarga lenta: tiene como función asegurar un perfecto sellamiento en el sistema; Solenoide: comandada eléctricamente, abre o cierra el pasaje de un fluido. De alivio: para sacar el exceso de presión en el calentador de aceite de las calderas.

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Vea en la FIGURA 05, los principales componentes de una caldera

FIGURA 05 – Principales componentes de una caldera

5. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UNA CALDERA ACUOTUBULAR Con el auxilio de un ventilador, el aire atmoférico pasa por el precalentador. Después de calentado, el aire es direccionado para el horno donde se mescla con el combustible y ocurrirá la combustión. Por el fenómeno de tiro, realizado por la chimenea, los gases calientes, productos de la combustión, circulan por todo el generador hasta ser lanzado en la atmósfera. En ese trayecto, los gases calientes suministran calor para el agua de la siguiente manera: Calentando el agua en el economizador; vaporizándola en la caldera; cambiando el vapor saturado en vapor sobrecalentado en el sobrecalentador. La mayor parte de la energía es absorbida en las superficies expuestas directamente a las llamas en la cámara de combustión, donde predomina la troca de calor por radiación. En calderas de buen dimensionamientos, las paredes de agua representan menos de 10% de la superficie de cambio de calor total y son capaz de de absorber hasta 50% de la energía libertada en la 19

combustión. En las partes posteriores de la caldera, los gases proporcionan calor por convección y radiación gaseosa.

6. DEFINICIONES PARA CÁLCULOS EN CALDERAS 6.1.

CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE VAPOR

La capacidad de producción de vapor de una instalación es expresada frecuentemente en quilogramos de vapor por hora (Kg/h) y/o sus derivaciones (kg/s, ton/h). También se expresan la capacidad de una caldera en forma de calor total transmitido por unidade de tiempo (Kcal/h).

Así tendremos:

Donde: Q = Capacidad de la caldera (Kcal/h) mv = Flujo másico de vapor (Kg/h) htot = Entalpia total del vapor (Kcal/kg) hl = Entalpia del agua de alimentación (Kcal/kg)

6.2.

RENDIMIENTO GLOBAL

Es definido como la relación entre el calor transmitido y la energía producida por el combustible:

n = Rendimiento de la caldera (%) mc= Flujo másico de combustible (Kg/h) PSI = Poder calorífico superior del combustible (Kcal/kg)

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6.3.

VELOCIDAD DE COMBUSTIÓN

Es la cantidad de combustible quemado por metro cuadrado de superficie de calentamiento por hora (Kg/m².h) Puede ser expreso también como la cantidad de combustible quemado por metro cúbico de volumen de la cámara por hora (Kg/m³.h)

6.4.

FACTOR DE VAPORIZACIÓN

Es la relación entre el calor absorbido por 1 Kg de agua de alimentación en las condiciones de la caldera y el calor absorbido por 1 Kg de agua a 100 ºC al se vaporizar.

6.5.

VAPORIZACIÓN EQUIVALENTE

Es definido como siendo el flujo de agua a 100ºC en (Kg/h) que se vaporiza en la caldera.

6.6.

BALANCE TÉRMICO

Consiste en la elaboración de una tabla contiendo el calor absorbido por el generador (deseado) y la pérdidas ocurridas en la combustión.

6.7.

CALOR ABSORBIDO

Es la porción de energía que el agua y vapor absorberán (se desea maximizarla). Es fornecida en Kcal absorbida por Kg de combustible.

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7. ELEMENTOS AUXILIARES DE LA CALDERA Para que un sistema de generación de vapor funcione eficientemente no sólo precisa de los elementos que se integran en la unidad principal generadora de vapor, sino de otros componentes auxiliares de caldera que son imprescindibles y que merecen especial atención, como: - Los sopladores que se emplean para limpiar las superficies de transferencia de calor, con lo que se consigue que la caldera opere a su máxima eficiencia. - Las válvulas de seguridad que son componentes críticos para garantizar una operación segura de la caldera. - El sistema de manipulación de ceniza, que retira y acondiciona la ceniza de la combustión. - Los cortatiros, chimeneas y ventiladores, que proporcionan y controlan los flujos de aire y de humos que se requieren para una buena combustión. - El condensador que se utiliza para proveer al atemperador atomizador de agua de alta pureza, en aquellas calderas industriales en las que no exista agua en ese estado.

7.1. SOPLADORES Los sopladores son dispositivos mecánicos utilizados durante el funcionamiento para la limpieza de las deposiciones de ceniza del lado de humos de la caldera (escoria y polvo), de forma periódica. Para retirar las deposiciones y mantener la eficiencia de la transferencia de calor, al tiempo que previenen las obstrucciones de los pasos de humos, estos aparatos proyectan a través de sus toberas, un medio de limpieza contra la ceniza acumulada en las superficies de transferencia de calor. El funcionamiento de un soplador en una determinada aplicación varía con: - Su localización en la caldera - La cobertura de limpieza requerida - La severidad de la acumulación de las deposiciones

Un soplador se compone de: - Un elemento tubular o lanza que se introduce en el interior de la caldera y que transporta el medio de limpieza. - Unas toberas en el extremo de la lanza, para acelerar y dirigir el medio de limpieza. - Un sistema mecánico para introducir o girar la lanza - Un sistema de control 22

Medios de limpieza. El medio de limpieza utilizado en los sopladores puede ser: - Vapor saturado; - Vapor sobrecalentado; - Aire comprimido; - Agua; - Mezclas de agua-vapor o de agua-aire;

En la mayoría de los casos se prefiere el vapor sobrecalentado, porque la experiencia indica que la humedad del vapor saturado puede erosionar las superficies de los tubos. Un kg de vapor sobrecalentado, comparado con un kg de vapor saturado, tiene un mayor potencial de limpieza, debido a la mayor velocidad a través de las toberas del soplador, que compensa la desventaja de la pérdida energética del chorro debido a la menor densidad. En calderas grandes se utiliza aire comprimido: - Con compresores alternativos de alta presión, entre 24,1 a 34,5 bar. - Con compresores centrífugos de elevadas relaciones de flujo, a presiones de 10,3 a 15,5 bar.

Dependiendo de la deposición a retirar y del tipo de soplador, las presiones normales de toberas para sopladores oscilan: - Para el vapor entre 4,8 a 24, 1 bar; - Para el aire entre 4,1 a 15,2 bar;

El agua, con presiones de entrada al soplador de 10,3 a 20, 7 bar, se puede utilizar como medio de limpieza, sola o mezclada con vapor o aire; también se puede inyectar en los sopladores para refrigerar la lanza del soplador, cuando está expuesta a altas temperaturas en zonas de humos.

La elección del medio de limpieza, aire y vapor, se basa en el análisis económico de los costes de operación y en cuestiones técnicas afectados por las diferencias siguientes: a) Los sopladores de vapor se diseñan para permitir: - El calentamiento de las tuberías del sistema; - El drenaje del condensado presente en las tuberías; 23

- La protección contra heladas, corrosión y erosión

b) Los sopladores de vapor pueden requerir un coste de mantenimiento mayor que los sopladores de aire comprimido

c) El incremento de la capacidad de un sistema de vapor es fácil de obtener, porque el suministro de vapor desde la caldera está limitado sólo por la presión de las válvulas reductoras.

d) Los sistemas de aire necesitan un flujo mayor para refrigerar los sopladores retráctiles de largo recorrido, debido a las mejores características de transferencia de calor que tiene el vapor. En algunos carbones bajos en S (azufre) y a elevadas temperaturas, las deposiciones tienen un estado plástico o están fuertemente adheridas a los tubos, no siendo efectivos ni el vapor, ni el aire; en estos casos, se utiliza agua para retirar la deposición.

7.1.1. Tipos de sopladores Soplador de posición fija.- Es un soplador no retráctil, rotativo o no, utilizado para retirar el polvo o ceniza ligeramente adherida a los bancos tubulares o a los conductos de humos; es más económico de instalar y funciona mejor que el soplador retráctil. Vea FIGURA Sólo se utiliza en zonas de baja temperatura y en los casos en que no se requiera la elevada energía propia de grandes toberas.

FIGURA 06 – Soplador de posición fija

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Soplador retráctil de carrera corta- Una unidad retráctil de carrera corta que se utiliza para la limpieza de los tubos de la pared de agua del hogar. La posición de la tobera, cuando el soplador está completamente extendido, se encuentra a 1,5” (38 mm) de la cara de los tubos. Vea FIGURA 07. El radio de limpieza depende de la: - Presión y tipo de tobera - Naturaleza de la deposición - Superficie a la que está adherida

FIGURA 07 – Soplador retráctil de carrera corta

En general, la zona de limpieza efectiva está en un contorno ovalado, cuyo eje vertical es de (3,66 m) y el horizontal de (3,05 m), a la presión de:

-

( 10,3 bar ) para el aire;

-

( 13,8 bar ) para el vapor saturado;

El tamaño de la tobera es del orden de 1”. Soplador retráctil de carrera larga.- Se utiliza en calderas de recuperación de la industria química. Para la limpieza de bancos tubulares, el extremo de la lanza tubular lleva un juego de 25

toberas para el medio de limpieza, que se extiende hasta el interior de la cavidad de la caldera; este tipo de soplador tiene un recorrido entre 0,6 m a 17, 1 m. Los sopladores retráctiles de carrera larga se aplican en cavidades horizontales y verticales, y utilizan aire o vapor como medio de limpieza. Cuando las deposiciones son difíciles de retirar se emplean toberas especiales que usan agua como medio de limpieza. La velocidad de traslación de la lanza cuando se introduce en la caldera es de 0,89 a 5,1 m/minuto El paso de la configuración helicoidal, debida a las velocidades de traslación y de rotación, es normalmente de 102, 127, 152, 203 mm, dependiendo de los detalles de diseño y de la longitud del tubo de la lanza.Vea FIGURA 08. Para carreras largas, hasta de 13,7 m, la lanza distancia los pasos de hélice de los chorros del medio de limpieza, en su carrera de regreso, para limpiar un área mayor. En cada ciclo de soplado, el paso helicoidal fijo se puede desplazar ligeramente para que el chorro del medio de limpieza impacte en una posición diferente.

FIGURA 08 – Recorrido de limpieza de la tobera

Las presiones utilizadas en un soplador retráctil de carrera larga, varían: - Para el aire de 4,1 a 12,4 bar; - Para el vapor de 4,8 a 24, 1 bar;

Se utiliza aire o vapor y esto depende: - Del medio de soplado; - De la dimensión de la tobera que para el aire es de 0,625" (15,9 mm) y para el vapor es de 0,875" a 1"= (22,2 a 25,4 mm) - Del área de aplicación; - De las características de la deposición;

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Los valores de la presión del vapor son superiores a los del aire porque el vapor se utiliza para las deposiciones más difíciles de limpiar, como las que se producen en la combustión de lignito, o de carbón subbituminoso y en las plantas de fabricación de pulpa de papel. Cuando las lanzas están expuestas a humos a alta temperatura, se requiere un flujo adicional para refrigerar la lanza. Soplador de lanza de agua.- La lanza de agua con velocidad variable se utiliza en las superficies de las paredes del hogar, cuando las deposiciones de escoria no se pueden retirar por los sopladores de pared convencionales de aire o de vapor. Se utilizan en instalaciones que queman lignitos o carbones subbituminosos, que tienen cenizas de alta reflectividad. Vea FIGURA 09.

FIGURA 09 –Lanza de agua con velocidad variable IK-4M-WL

Las velocidades de desplazamiento y de rotación varían durante el ciclo de limpieza para obtener un tiempo uniforme de reposo (velocidad de progresión del chorro), con el fin de optimizar el uso del agua en la limpieza y limitar el choque térmico. El agua se emplea únicamente durante la etapa de entrada (inserción) de la lanza, para evitar el choque térmico sobre los tubos limpios en la etapa de salida (retracción) de la misma. Sopladores para limpieza de calentadores de aire - Los calentadores de aire tubulares se limpian con un soplador especial de carrera larga, no rotativo, que lleva un elemento multitobera soportado interiormente, similar a las toberas utilizadas en los sopladores rotativos de posición fija. Vea FIGURA 10 Estos sopladores se identifican como sopladores IK de línea recta o sopladores rastrillo. Se ubican en el lado de salida de humos del calentador de aire, con las toberas posicionadas para que 27

soplen dentro de los extremos abiertos de los tubos. Este elemento en T se mueve adelante y atrás, paralelamente a la cara de la placa tubular, y tiene entre uno y tres elementos en paralelo, que están alimentados por la lanza móvil. El número de toberas por elemento se determina por la disposición de los tubos del calentador de aire y por el área de las toberas de los elementos que no debe exceder la capacidad del tubo de la lanza para proveer el fluido de soplado que puede ser aire comprimido o vapor. Para reducir la humedad que entra en el lado frío de los tubos del calentador de aire, se utiliza vapor sobrecalentado a una presión en tobera de (8,6 bar), y entalpía (3203 kJ/kg). El medio de soplado no penetra en la longitud total del tubo, aunque mantiene abierta la sección fría de los tubos. Para la limpieza de toda la longitud del tubo es necesario un lavado con agua, con la instalación fuera de servicio.

FIGURA 10 –Lanza de agua con velocidad variable IK-4M-WL

El calentador de aire regenerativo se limpia con una lanza desplazable, soportada internamente, y dotada de toberas especiales. Este mecanismo se acciona lentamente a través de las cestas del calentador mediante un soplador de carrera larga, no giratorio, de forma que toda la superficie se limpia conforme giran las cestas del calentador; como medio de soplado se puede utilizar aire o vapor y tiene que alcanzar una presión máxima en tobera de 13,8 bar. Si las temperaturas del metal caen por debajo del punto de rocío, las cestas se pueden taponar y corroer, por lo que el suministro de vapor debe tener, al menos, una temperatura de 300ºF (167ºC), lo que requiere de una fuente independiente de vapor para la limpieza del calentador de aire. 28

7.1.2. Aplicación de los sopladores a los diversos tipos de calderas Calderas que queman carbón pulverizado - En la FIGURA 11 se muestra la sección transversal de una caldera de servicio público que quema carbón pulverizado, en la que se indican las ubicaciones de los diversos sopladores. La escoria y las deposiciones de ceniza en polvo sobre las paredes del hogar se retiran mediante sopladores de pared IR de carrera corta, cuya ubicación se determina por el carbón que se esté quemando. Para un carbón bituminoso, la separación vertical de las filas de sopladores es de 3,0 a 4,3 m, con unos espaciados laterales entre 2,1 a 3 m . Para un lignito de escorificación severa, la separación vertical de las filas de sopladores se reduce a 3 m, siendo el espaciado horizontal, igual al anterior, entre 2,1 a 3 m. Para algunos lignitos y carbones subbituminosos con escorificación severa deposiciones de ceniza reflectiva, se puede instalar el soplador IK de lanza de agua, en lugar del soplador de pared IR. Las lanzas de agua han demostrado ser unas unidades de limpieza efectivas. Las secciones colgadas del sobrecalentador y del recalentador, así como la sección de convección de tubos horizontales, se limpian generalmente con sopladores retráctiles de carrera larga.

FIGURA 11 – Ubicación de sopladores en una gran caldera que quema carbón

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El espaciado vertical depende de la temperatura de los humos y de las características de la ceniza del carbón, y suele estar entre 3,7 a 4,3 m. Calderas que queman aceite - No utilizan sopladores IR de pared, porque la ceniza del aceite tiene una temperatura de ablandamiento muy baja y, en consecuencia, los áreas del hogar están recorridos normalmente por ceniza fundida. Los sopladores retráctiles IK de carrera larga, no se usan en zonas con temperaturas de humos superiores a los 1750ºF (954ºC), a no ser que se emplee un aditivo químico (óxido de aluminio, carbonato de calcio y magnesio, óxido de magnesio) para elevar la temperatura de deformación inicial de la ceniza. Estos aditivos se utilizan siempre con fuelóleos que tengan altos contenidos de Va. El grado de limpieza del chorro de un soplador en una caldera que queme sólo aceite, es el mismo que el de las calderas que queman carbones con alto ensuciamiento.

Calderas recuperadoras de calor de procesos - En estas calderas no se utilizan sopladores de pared IR, ya que son ineficaces para retirar las deposiciones de ceniza con baja temperatura de deformación inicial, pero sí los sopladores retráctiles que utilizan vapor como medio de soplado que se usan en el sobrecalentador, en el banco de caldera y en el economizador. Calderas que queman basuras Pueden ser de dos tipos: - Las que queman basuras a granel; - Las que queman combustibles derivados de residuos;

Para mantener despejados el hogar y el paso de convección y prevenir cualquier obstrucción y excesivas pérdidas de tiro se utilizan sopladores de vapor. La frecuencia de operación se tiene que vigilar cuidadosamente; la superficie puede quedar demasiado limpia y eso puede plantear problemas, ya que se facilita la corrosión de los tubos por los constituyentes de los humos (cloruros), y la erosión debida a la ceniza volante en polvo. Los sopladores retráctiles de carrera larga se utilizan para retirar deposiciones de ceniza en el sobrecalentador y banco de caldera; en el economizador se pueden instalar sopladores retráctiles de carrera larga o sopladores rotativos de ubicación fija. 30

Los sopladores retráctiles están espaciados en sentido vertical entre 2,4 a 3,0 m y suelen tener unos valores de flujo de limpieza comparable a la de los que se utilizan en calderas que queman carbón bituminoso. Calderas de lecho fluidifizado - En estas calderas, las deposiciones de ceniza sobre las superficies tubulares son ligeras y fáciles de retirar; no obstante, hay situaciones en las que las acumulaciones crecen en superficies de tubos horizontales, que pueden reducir la transferencia de calor y provocar obstrucciones en los pasos de humos. En estos casos se necesitan sopladores retráctiles de carrera larga para vapor, o sopladores rotativos de posición fija.

7.1.3. Medios de control Los sistemas de control de sopladores tienen características constructivas y enclavamientos, para proteger el equipo mecánico y garantizar el funcionamiento, como: - Alarmas y enclavamientos de presión del medio de soplado, para prevenir que el equipo pueda funcionar sin éste en condiciones adecuadas. - Alarmas de flujo alto/bajo del medio de soplado para advertir del mal funcionamiento del equipo. - Enclavamientos generales de sopladores para impedir que se produzca una demanda instantánea del medio de soplado a la fuente de suministro. - Enclavamientos del fallo del medio de soplado para proteger las lanzas de carrera larga en sopladores retráctiles. - Protección y alarma de sobrecarga de motores, para indicar su mal funcionamiento. - Alarma de parada de motores. - Alarma del tiempo transcurrido para garantizar una adecuada operación del equipo. - Protección en el caso de un disparo de Caldera. Junto a los paquetes informáticos, se han aplicado técnicas de autómatas programables a los sopladores, en los que la operación y secuencia de sopladores selectivos se basan en la medida y cálculo de las condiciones de limpieza de las superficies individuales termo intercambiadoras de la caldera, permitiendo un uso más económico del medio y de la energía para la limpieza. Sistemas ópticos vigilan la limpieza de las superficies mediante técnicas de imágenes por infrarrojos que miden la emisividad de las paredes del hogar, con sondas conectadas a un dispositivo de control, obteniendo: Imágenes de la superficie interior del hogar de la Caldera. 31

Tendencias de la limpieza de las superficies de transferencia de calor. Una guía para el operador de dónde y cuándo hay que limpiar.

7.2.

VÁLVULAS DE SEGURIDAD Y DESAHOGO

La válvula más crítica en una caldera es la de seguridad; su misión es limitar la presión interna de la caldera en un punto que esté dentro de un nivel seguro de operación; para ello se instalan una o más válvulas de seguridad en el sistema de partes a presión de la caldera, sin que se puedan aislar del recinto que ocupa el vapor. Las válvulas tienen que estar taradas para que se activen a las presiones aceptadas para el punto de ajuste, y para que se cierren cuando la presión caiga hasta un determinado nivel. Cuando el juego de válvulas de seguridad se abre, tiene que manejar todo el caudal de vapor que la caldera es capaz de generar, sin sobrepasar la presión especificada. El Código (ASME) de Calderas y Recipientes a presión, en su Sección I señala los requisitos mínimos para las válvulas de seguridad y de desahogo, aplicadas en nuevas calderas energéticas estacionarias de tubos de agua, distinguiendo: - Válvulas de seguridad (safety valve), que se usan para gas o vapor; - Válvulas de desahogo (relief valve), que se usan para líquidos; - Válvulas de seguridad y desahogo, aptas para gases o líquidos; La FIGURA 11 muestra una válvula de seguridad, aprobada por el Código, para operar con vapor y cargada por resorte.

FIGURA 11 – Válvula de seguridad cargada por resorte

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Algunas otras características necesarias a las válvulas de seguridad: - Esta válvula se instala independientemente y ha de cerrar y sellar las partes a presión sin que intervenga ninguna otra válvula en el lado de descarga. - La abertura de la tobera de entrada no debe ser menor que el área de entrada a la válvula, evitándose todos los accesorios de tubería que no se necesiten. - Estas válvulas se diseñan para una amplia apertura inicial por encima del punto de ajuste de presión estática, y para máxima capacidad de descarga con una presión superior al 103% de la del punto de ajuste. La FIGURA 12 A muestra una válvula de seguridad accionada energéticamente; estas válvulas se abren completamente a la presión del punto de ajuste, mediante un controlador cuya fuente energética puede ser aire, electricidad, fluido hidráulico o vapor. La FIGURA 12 B muestra una válvula de desahogo cargada por resorte, que opera con líquidos, diseñada para una pequeña apertura inicial a la presión del punto de ajuste, seguida de más apertura cuando la presión supera la del ajuste para prevenir una nueva subida de presión.

A

B

FIGURA 12 – A - Válvula de seguridad acicionada energéticamente. B – Válvula de desahogo de presión cargada por resorte

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En calderas con calderín se sigue el procedimiento de tarado de las válvulas de seguridad, de modo que las del sobrecalentador se levanten primero para así mantener un flujo de vapor a través de este que le proteja de un excesivo sobrecalentamiento; este método, utilizado en hogares mecánicos y en unidades con cerramiento de ladrillo, permite presiones de vapor menores en el diseño de válvulas y tuberías que están aguas abajo del sobrecalentador. Para otras unidades existe otro método que permite abrir primero las válvulas del calderín, provocando unas condiciones de flujo reducido hacia el sobrecalentador, con la caldera en un elevado nivel de aporte de calor; consecuencia de esto es, que algunos materiales del sobrecalentador pueden exceder los límites propios de temperatura. En la selección de las válvulas de seguridad hay que tener en cuenta el fuego auxiliar que exista.

Los requisitos relativos a válvulas de seguridad para calderas de proceso directo son: - Las válvulas motorizadas pueden computar capacidades del 10 - 30% de la total requerida por el Código ASME para válvulas de seguridad. - Las válvulas de desahogo motorizadas deben tener comunicación directa con la caldera; su control y accionamiento están integrados en la red de servicios esenciales de la planta. - Para el mantenimiento de la válvula de desahogo motorizada se instala una válvula especial de retirada de servicio. Con estos requisitos cumplimentados, la capacidad restante exigida a las válvulas de desahogo se cubre con válvulas cargadas con resorte, taradas al 117% de la presión principal, que se debe indicar en la placa de la caldera. Las válvulas del sobrecalentador son parte del conjunto de válvulas de desahogo motorizadas; su capacidad es igual al 10% de la presión máxima de vaporización de la caldera. La purga de las válvulas cargadas por resorte no se debe producir a menos del 8%, ni a más del 10% de su presión de ajuste.

7.3.

SISTEMAS DE MANIPULACIÓN DE CENIZA

La ceniza y residuos de la combustión de combustibles sólidos se descargan en diferentes puntos del flujo de humos de la caldera, vea FIGURA 13: - Parte inferior del hogar - Paso posterior de caldera - Calentador de aire - Aparato de recogida de partículas de ceniza volante en polvo 34

- Molinos de pulverización en los que se recoge una pequeña cantidad de piritas en la ceniza del combustible El punto en el que las partículas dejan de ser arrastradas por el flujo de humos depende del tamaño, densidad, velocidad y disposición física de las partículas de ceniza en dicho flujo. La ceniza recogida en la parte baja del hogar (a veces como escoria), que en calderas de carbón pulverizado y en hogares mecánicos puede llegar hasta una temperatura de 2400ºF (1316ºC), se enfría en agua conforme sale del hogar, hasta una temperatura que sea aceptable para el equipo de manipulación de la ceniza.

FIGURA 13 – Descargas de ceniza en caldera quemando carbón y cantidades porcentuales aproximadas

Las descargas de ceniza volante en polvo se producen a temperaturas bastante más bajas, de modo que no requieren refrigeración; estas cenizas se transportan hasta unos silos, para su almacenamiento y posterior destino final. Los sistemas que manipulan y transportan cenizas se diseñan teniendo en cuenta las características específicas de cada uno de los flujos de ceniza, que incluyen: - El tamaño de las partículas; - Su velocidad, temperatura, composición química y propiedades superficiales; El sistema de manipulación de cada flujo de ceniza se dimensiona para más del 100% de la ceniza esperada y producida por el combustible de diseño, para asumir la posible combustión de combustibles con más ceniza. 7.3.1. Sistemas de escoria Los sistemas de manipulación de la escoria del fondo del cenicero se pueden clasificar en dos grandes grupos: intermitentes y continuos. 35

El sistema de cenicero lleno de agua es intermitente, con periodos fuera de servicio (la escoria se almacena hasta varias horas antes de ser retirada), y en servicio. El transportador de cadena sumergido que retira la escoria a medida que se descarga de la caldera es continuo. 7.3.2. Cenicero lleno de agua De tipo intermitente, se pueden utilizar con calderas de fondo seco (ceniza sólida); existen variantes de este sistema que se utilizan en calderas de carbón pulverizado, en hogares ciclón y en hogares mecánicos. El sistema se compone de una o más tolvas (ceniceros) llenas de agua, ubicadas bajo la garganta que se configura en la parte inferior del hogar, vea FIGURA 14.

FIGURA 14 –Cenicero lleno de agua

- La cota de la garganta inferior del hogar esta a 25 ft (7,6 m) sobre el nivel del suelo de la planta, para dejar espacio suficiente para los ceniceros de recogida de la escoria; - La escoria del fondo cae dentro del cenicero lleno de agua, en el que el agua la apaga; - En la parte superior del cenicero se coloca una artesa de sellado hidráulico, con las placas de sellado colgadas de la parte inferior, sumergidas en el agua de la artesa, para mantener un cierre estanco a gases. Cuando la tolva cenicero alcanza su capacidad de almacenamiento, la escoria se evacua del mismo, pasando a través de un triturador que reduce la ceniza a tamaños aceptables para su procesado y retirada aguas abajo. El agua de transporte pasa a través de una bomba de chorro (eyector de agua de baja eficiencia) y de de bombas de succión resistentes a la abrasión, para sacar de cada cenicero la mezcla de agua y escoria triturada, que se conduce a través de tuberías resistentes a la abrasión, 36

hasta una zona de vertido lejos de la caldera; la escoria se puede descargar en extensas balsas utilizando el agua como medio de transporte desde el cenicero. Cuando las balsas de ceniza no son factibles o se requiere una escoria sin agua , la mezcla ceniza-agua se descarga en grandes sistemas deshidratantes.

7.3.3. Transportador de cadena sumergida De tipo continuo, se puede aplicar a los mismos diseños que el sistema de cenicero lleno de agua, FIGURA 15 e FIGURA 16; es un transportador mecánico que cuenta con una artesa superior llena de agua y otra artesa inferior seca. Uno de los extremos del transportador tiene una inclinación que emerge del agua, lo que facilita la separación del agua y de la ceniza. Las placas de sellado sujetas a la parte inferior del hogar, se sumergen en el agua de la artesa superior para mantener la estanqueidad a gases.

FIGURA 15 – Transportador de cadena sumergido

FIGURA 16 – Transportador de cadena sumergida para ceniza inferior (escoria)

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La escoria de la parte inferior del hogar cae a la artesa superior llena de agua y se transporta lentamente por los eslabones que son arrastrados por dos cadenas. Para mantener la temperatura del agua en la artesa, muchas plantas emplean un sistema de refrigeración en circuito cerrado. La velocidad de la cadena de transporte es lenta para minimizar su desgaste y maximizar el agua escurrida. El contenido en humedad de la ceniza escurrida es del orden del 30% en peso, cifra que varía según el destino y consistencia de la misma. La ceniza sin agua procedente del transportador se manipula y procesa de varias formas, según sean los requerimientos de la planta: - Si hay espacio disponible en la descarga del transportador, la escoria se deposita en una balsa para su transporte posterior. - Si no existe la posibilidad de disponer de este espacio, se pueden usar cintas transportadoras para alejar la escoria hasta el punto de vertido adecuado. El agua de transporte en la artesa hay que mantenerla a 60ºC, para evitar la oxidación a altas temperaturas. Si se requiere más agua de refrigeración que la de aporte necesaria, el sistema transportador rebosa, lo que hay que tener en cuenta en el diseño de la planta; el agua que ha rebosado se puede transferir a una balsa de ceniza. Algunos tipos de escoria son muy porosos; cuando grandes trozos de escoria caliente caen en el agua, esta penetra en ellos y se vaporiza tan rápidamente que puede explotar, lo que se evita sumergiendo lentamente la escoria en el agua. Una variante es el transportador de cinta metálica que consiste en una banda continua de paneles para transportar la ceniza, en lugar de eslabones situados entre dos cadenas; esta cinta metálica transporta un lecho continuo de ceniza y tiene la posibilidad de transportar grandes cantidades de escoria o de residuos procedentes de unidades que quemen basuras o residuos sólidos municipales.

7.3.4. Sistema de piritas Las piritas son trozos de hierro y rocas extraídas con el carbón, que se separan de este en los pulverizadores; se pueden retirar manual, hidráulica o neumáticamente. En el sistema hidráulico, el agua de transporte pasa a través de una bomba de chorro (eyector) y recoge las piritas de un tanque, que se arrastran por tubería hasta el área de vertido; dada la naturaleza abrasiva de las piritas, la tubería que se use tiene que ser resistente a la abrasión. En el sistema neumático, el aire de transporte procede de un sistema de vacío o de un sistema a presión, 38

y transporta las piritas hasta la zona de vertido. Las piritas se pueden transportar, para su vertido, a un silo de escurrido del agua una balsa de cenizas un sistema de recogida de escoria.

7.3.5. Sistema de ceniza del paso de convección de la Caldera Existen muchas variantes de manipulación de cenizas del paso posterior de la caldera, porque estas ni son tan finas como la ceniza volante en polvo, ni tan bastas como la escoria del fondo del hogar. Algunas plantas amplían el sistema de manipulación de ceniza volante en polvo, para su recogida y transporte, o Otras las transportan hacia el sistema de escorias del fondo del hogar y otras mantienen separadas las cenizas, tanto del sistema de escoria como del sistema de polvo. Los sistemas de manipulación de cenizas del paso posterior de caldera utilizan medios de transporte hidráulicos, neumáticos o mecánicos.

7.3.6. Sistemas de manipulación de ceniza seca en polvo Consisten en un sistema de tubería, como el de transporte de la escoria. La ceniza volante en polvo se acumula en tolvas y se descarga en el sistema de transporte de ceniza. La ceniza y el polvo del paso posterior de la caldera se acumulan en tolvas y se descargan en el sistema de transporte de escoria.

7.3.7. Transporte neumático En el transporte neumático se utiliza una corriente de aire a través de un sistema de tuberías, como medio de transporte de la ceniza en polvo; puede ser de dos tipos: presurizados y de vacío. En el transporte presurizado, FIGURA 17, el generador del aire de transporte (soplante) se encuentra al comienzo de la línea; opera a una presión por encima de la atmosférica, pasa por debajo de cada tolva de recogida de polvo y dispone de un sistema de sellado de aire en cada punto de alimentación de polvo. La ceniza en polvo se transporta hasta un silo de almacenamiento que dispone de un filtro de descarga que retiene las partículas más finas arrastradas por el aire de transporte y facilita la salida del aire desplazado por el llenado del silo.

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En el transporte por vacio, el generador del aire de transporte (soplante, ventilador, eyector de vapor o de agua) se encuentra en el extremo de descarga, o en el silo, creando así un vacio en la tubería de transporte. Como las líneas de transporte están en depresión, para incomunicar y controlar la alimentación del polvo en cada punto de toma, solo se necesita una válvula. La línea de transporte de polvo de ceniza entra en un primer colector separador de polvo y a continuación en un segundo separador; en donde se separa el aire de transporte del polvo, que se descarga al silo, FIGURA 18.

FIGURA 17 – Sistema neumático a presión, de transporte de ceniza volante en polvo

FIGURA 18 – Sistema de ceniza volante en polvo en vacio

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Los sistemas neumáticos considerados son de fase diluida, ya que la relación Aire sólidos es muy alta. Una variante del sistema a presión lo constituye el transporte en fase densa, en cuyo diseño la relación aire sólidos utilizada es menor; la ceniza recogida en la tolva, como una pastilla densa, se descarga en el dispositivo transportador a la presión del aire de transporte. El concepto de fase densa está limitado a materiales con partículas de pequeño tamaño, como la ceniza volante en polvo. Materiales compuestos por partículas de tamaños mayores se puede transportar en fase densa, a distancias de transporte más cortas. El sistema neumático ofrece mucha flexibilidad en el diseño, debido a la facilidad de recorrido que los sistemas de tuberías ofrecen en comparación con los transportadores mecánicos; sin embargo, un sistema de transporte neumático es propenso a atascos por partículas sobredimensionadas de ceniza. Un flujo de ceniza en polvo que pueda llegar a tener un alto contenido en humedad, como por ejemplo el que sale de un lavador de humos, puede taponar un sistema neumático.

7.3.8. Transporte mecánico El transporte mecánico del flujo de ceniza en polvo seco se realiza utilizando alguna combinación de transportadores de cadena, masas y tornillos. Debido a la temperatura y naturaleza pulverulenta de los flujos de ceniza en polvo no se aplican las cintas transportadoras. La manipulación mecánica de ceniza en polvo es ventajosa en aquellas calderas que queman combustibles cuyos niveles de inquemados, en las diversas corrientes de flujos de ceniza (escoria y polvo), son notables, como sucede en las unidades que queman madera o basuras. Estos inquemados pueden entrar en ignición cuando se exponen a la corriente de aire de un transportador neumático, dando lugar a explosiones y combustiones en el sistema de transporte o en el silo de almacenamiento.

7.3.9. Los transportadores de cadena Con eslabones se utilizan para la manipulación y desplazamiento horizontal de la escoria o en planos inclinados; son de diseño similar a los que se utilizan en los sistemas de cadena sumergida. La cadena y los eslabones se encuentran dentro de una carcasa estanca al polvo, alimentando la ceniza en polvo a través de aberturas en la parte superior de la carcasa. Para el cierre se utilizan dispositivos de esclusas de aire, como alimentadores rotativos sellados o válvulas basculantes. El volumen de la ceniza en polvo transportada viene determinado por la altura de los eslabones. 41

- Los transportadores de masas son de diseño similar a los anteriores y ocupan totalmente la sección transversal del transportador. - Los transportadores de tornillo se recomiendan para la manipulación de ceniza en polvo en longitudes de transporte que no dispongan de soportes intermedios, debido a la naturaleza altamente abrasiva del polvo de ceniza y consiguiente desgaste; se pueden seleccionar transportadores de tornillo de diámetro suficiente, manteniendo el nivel de llenado del polvo de ceniza bastante bajo para que se minimice la exposición del cojinete, lo que hace que los transportadores de tornillo no sean atractivos económicamente para estas aplicaciones. - Los elevadores de cangilones facilitan medios mecánicos para transporte en vertical.

7.3.10. Almacenamiento de ceniza y descarga La ceniza en polvo seca se transporta hasta un silo para su almacenamiento, antes de descargarla en camiones o en vagones para su transporte; esta descarga se puede realizar en estado de polvo seco o acondicionando su humedad. La carga en seco utiliza vehículos de transporte cerrados; durante la operación de carga el material queda completamente estanco respecto al medio ambiente, minimizando las emisiones de polvo. El sistema de acondicionamiento de la humedad se utiliza con más frecuencia; el polvo de ceniza se descarga desde el silo hacia un mezclador mecánico de tambor rotativo o molino amasador, que recibe el sellado, agua precisa para producir una ceniza no polvorienta con un contenido en agua del 15 hasta 20%, en peso. Hay que tener cuidado con la ceniza volante en polvo de alto contenido en Ca, evitando un exceso de agua, que podría provocar la consolidación del polvo en un producto parecido al cemento.

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7.4.

CORTATIROS DE AIRE Y DE HUMOS

Los cortatiros se utilizan para controlar el gasto y la temperatura del aire y humos y para aislar un equipo que queda fuera de servicio o requiere algún trabajo de mantenimiento.

a) Los cortatiros de aislamiento pueden ser de cierre y de fuga nula. - Los cortatiros de cierre se emplean en aplicaciones en las que se puede tolerar una fuga limitada; - Los cortatiros de fuga nula se diseñan para impedir fugas de cualquier tipo, lo que se consigue presurizando con aire de sellado, la periferia de los sellos de las láminas de sus persianas, siendo más convenientes las compuertas de tipo guillotina.

b) Los cortatiros de control facilitan una restricción del flujo y presentan diversas variantes: - Cortatiros de compensación, que se emplean para distribuir el flujo entre dos o más conductos; - Cortatiros de posición prefijada, que normalmente están abiertos o cerrados, y que en general se pueden mover a una posición predeterminada; - Cortatiros de modulación, que están diseñados para adoptar cualquier posición entre totalmente abierto o totalmente cerrado, en respuesta a una señal neumática o eléctrica;

7.4.1. Cortatiros de persianas Un cortatiros de persianas, FIGURA 19, se caracteriza por disponer de una o varias láminas, que basculan sobre cojinetes ubicados en un bastidor rígido.

FIGURA 19 – Cortatiros de persianas y opciones de posición

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Uno de los extremos del eje de una lámina se prolonga lo suficiente hacia fuera del bastidor, para que en él se pueda montar el accionamiento encargado de la operación del cortatiros. El perfil de las láminas de la persiana depende de la caída de presión que se puede tolerar a través del cortatiros. Una chapa plana es el perfil más simple de lámina, pero ofrece mayores caídas de presión; láminas con perfil aerodinámico tienen menores caídas de presión. Cuando aguas abajo del cortatiros se requiere una distribución del flujo uniforme, se emplean cortatiros de persianas con láminas de rotaciones opuestas; en los demás casos se utilizan cortatiros de hojas con rotaciones paralelas. Según sea la aplicación, los cortatiros de persiana pueden tener cojinetes interiores o exteriores.

7.4.2. Cortatiros de lenteja Son cortatiros redondos en forma de lenteja, FIGURA 20, y se pueden usar para servicio de control cierre. Debido a los elevados límites de velocidad, estos cortatiros son menores que los de persiana y la relación perímetro de sellado/área de paso es menor, lo que los hace más eficientes para aplicaciones de cierre.

FIGURA 20 – Cortatiros de lenteja

7.4.3. Cortatiros de compuerta Tienen un bastidor y un sistema de accionamiento exteriores, que pueden meter y sacar la compuerta, que actúa en toda la sección transversal del conducto, FIGURA 21. 44

La periferia de la compuerta está rodeada por unas bandas de cierre de metal flexible, a ambos lados aguas arriba y aguas abajo de la misma, contra las cuales se aprieta la compuerta para minimizar las fugas. Las guillotinas son de gran tamaño y se utilizan para aislar conductos horizontales.

FIGURA 21 – Compuerta de guillotina

7.5.

CHIMENEAS

Para lograr la combustión completa de los combustibles se necesitan unos flujos de aire y de humos adecuados, que se crean y mantienen por medio de chimeneas y ventiladores que producen la diferencia de presión necesaria. El tiro es la diferencia entre la presión atmosférica y la presión estática de los humos en el hogar, en el paso de humos de la caldera, en un conducto o en una chimenea. El flujo de gases a través de la caldera se puede lograr por cuatro métodos diferentes como: - Tiro forzado - Tiro inducido - Tiro natural - Tiro equilibrado

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Las calderas con tiro forzado operan manteniendo el aire y los productos de combustión a presión superior a la atmosférica. Los ventiladores a la entrada del sistema de caldera facilitan la presión suficiente para forzar la circulación del aire y de los humos a través del sistema. Cualquier abertura en los cerramientos de caldera facilita el escape del aire o del humo, a no ser que se presurice también la abertura. Las calderas con tiro inducido operan con una presión estática de aire y de humos inferior a la atmosférica. La presión estática disminuye conforme se progresa desde la entrada de aire hasta el ventilador de tiro inducido. Las calderas de tiro natural funcionan con un flujo de humos y se logra con una chimenea. En las calderas modernas es necesario disponer de un ventilador a la salida del sistema que proporcione el tiro preciso para establecer el flujo de gases (aire y humo) a través de la caldera. Las calderas con tiro equilibrado tienen un ventilador de tiro forzado a la entrada al sistema y un ventilador de tiro inducido a la salida del mismo. La presión estática a la salida del ventilador de tiro forzado es superior a la atmosférica y decrece hasta alcanzar la presión atmosférica en un punto del sistema, que es el punto de tiro equilibrado; la presión estática sigue decreciendo conforme los gases recorren el trayecto entre el punto de equilibrio y el ventilador de tiro inducido. Este esquema reduce la presión de humos y la tendencia a fugas de los gases calientes. Con el tiro equilibrado se produce un ahorro energético, porque los ventiladores de tiro forzado requieren menor flujo volumétrico y, por tanto, menor energía para un flujo másico dado. La pérdida de tiro es la reducción de la presión estática de un gas, causada por el rozamiento y por otras pérdidas de presión asociadas a las condiciones reales del flujo de gas.

7.6.

SISTEMA ATEMPERADOR DE CONDENSACIÓN

En la mayoría de las calderas, el método de control de la temperatura del vapor en el sobrecalentador es la atemperación por un atomizador de agua que se introduce en el vapor entre el sobrecalentador primario y secundario. Si para la atemperación se utiliza agua de alimentación, esta debe tener un bajo contenido en sólidos, para evitar la introducción de depósitos en el sobrecalentador o en la turbina. Si la calidad del agua de alimentación no cumple los criterios establecidos para el agua del atomizador, se puede utilizar un sistema atemperador de condensación que disponga de agua de bajo contenido en sólidos.

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Un diagrama esquemático de un sistema atemperador de condensación se muestra en la FIGURA 22; consta de: - Un condensador; - Una válvula de control del agua del atomizador; - Un atemperador atomizador de agua; - Un tanque de almacenamiento de condensado; - Una bomba de condensado;

FIGURA 22 – Esquema del sistema de condensador vertical

En el diseño de este sistema, el vapor saturado procedente del calderín de la caldera se lleva al lado de la carcasa exterior a los tubos de un condensador vertical, en el que el agua condensa y subenfría; Este condensado fluye a través de la tubería del agua al atomizador y válvula de control, hacia un atemperador situado entre las etapas del sobrecalentador. Los sistemas de atemperador de condensación se accionan por la diferencia de presiones entre la del calderín y la que corresponde al punto del recorrido del vapor sobrecalentado, en el que se introduce el agua al atomizador. Los condensadores se posicionan por encima de la cota del calderín, con el fin de incrementar la altura hidrostática disponible para el atemperador. Si la presión diferencial disponible no es suficiente para vencer la resistencia del sistema debida al flujo de diseño del agua del atomizador, se tiene que utilizar una bomba de condensado. 47

El agua de alimentación es el medio refrigerante que fluye por el interior de los tubos del condensador vertical.

Existen otras ubicaciones alternativas del condensador vertical: - Aguas arriba de la entrada del economizador - Aguas arriba de un colector intermedio en caso de un economizador multibanco

El condensador del agua del atomizador, es un termointercambiador vertical de carcasa y tubos, con el cabezal (placa tubular) en la parte inferior, FIGURA 23. El haz tubular está formado por un paquete de tubos en forma de U invertida.

FIGURA 23 – Disposición del condensador vertical con cabezal inferior

La carcasa es cilíndrica con la entrada de vapor del calderín próxima a la parte superior de la misma, y la salida de condensado en la parte inferior de la carcasa. Durante el funcionamiento normal, el sistema del condensador está sometido a un funcionamiento cíclico. En algunos períodos no hay demanda de flujo atomizador y el nivel de condensado en el condensador sube hasta la parte superior del haz tubular, operación deseable en la disposición de tubos en forma de U invertida; esta construcción impide la formación de bolsas de vapor en la parte alta del termointercambiador, que podrían provocar golpes de ariete y las 48

consiguientes grietas en la carcasa. A veces, cuando el condensador está casi inundado de agua, el conjunto está a una temperatura cercana a la del agua de alimentación. Una súbita demanda de agua del atomizador atemperador hará caer rápidamente ese nivel de agua, exponiendo grandes longitudes de la carcasa y de partes internas a la temperatura del vapor saturado, lo que representa una rápida subida de temperatura en la carcasa, del orden de 300ºF (167ºC).

8. CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD 8.1.

CONTROLES

PARA

MANEJO

Y

SEGURIDAD

DE

AGUA

(CALDERAS

PIROTUBULARES) a) Control de nivel por flotador. Sistema que habilita el contactor de la bomba por intermedio de un interruptor para controlar el agua en la caldera. b) Control de nivel (Auxiliar) Warrick. Se acciona cuando el control de flotador falla, protege la caldera por bajo nivel de agua apagando el quemador, posee un electrodo que al dejar de censar agua inhabilita el quemador. Es importante saber, en caso de detectar el nivel de agua por debajo de la mitad del volumen total, no suministrar agua fría a la caldera porque implotaría por choque térmico brusco.

8.2.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE COMBUSTIBLE

El sistema de manejo de combustible está compuesto por elementos funcionales indispensables para una óptima operación de transporte del combustible a la zona de quema a condiciones especiales de temperatura y presión. Estos elementos deben funcionar correctamente, pues manejan líquidos o gases inflamables, que pueden causar un accidente. Componen un sistema de manejo de combustible: Filtro: Protección de cuerpos extraños. Bomba: Mecanismo de transporte. Precalentador eléctrico y a gas: Elevar la temperatura del combustible. Válvula desaireadora: Sacar el aire en el precalentador eléctrico. Válvula termostática: Localizada a la entrada del calentador de vapor, si baja la temperatura del combustible se abre. 49

Válvula Reductora: Reduce la presión de vapor de la línea al precalentador según lo requerido por este. Trampa: Desalojar los condensados a la salida del precalentador. Manómetro y termómetro: Se instalan después del filtro y muestran presión de atomización y temperatura. Válvula Modulante: Regula la presión y la cantidad de combustible al quemador principal. Válvulas Solenoides: Abren y cierran el flujo de combustible.

8.3.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD EN LA ATOMIZACIÓN AIRE-VAPOR

Um dispositivo de controle de presión del combustible controla la existencia de atomización, cerrando o abriendo las válvulas solenoides del sistema de combustión.

8.4.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD AIRE COMBUSTIÓN

Control que garantiza la existencia de flujo de aire y habilita el control de combustión, para que siga la secuencia de encendido.

8.5.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE CALDERAS MODULADAS

Modulado es un sistema que permite aumentar o disminuir la generación de vapor, variando la cantidad de combustible en al quemador. Un sistema modulado varía la energía producida por la combustión según la demanda de vapor que los elementos consumidores requieran. Esta modulación debe conservar las proporciones de aire y combustible para lograr una combustión eficiente con bajos niveles de contaminación por residuos. La secuencia de modulación consiste en: Censa presión de vapor. Percibida por sensor (Presuretrol). Envía señal eléctrica a Motor modulador (Modutrol). El modulador (Modutrol) acciona el regulador de aire y la válvula reguladora de combustible mecánicamente. 50

8.6.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DEL REGULADOR (DÁMPER) DE TIRO FORZADO

El dámper es manejado mecánicamente por el motor modulador, garantiza que la caldera no encienda en una posición distinta a bajo fuego, de lo contrario provocaría explosiones en el encendido por exceso de aire y combustible (encendido brusco). 8.7.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE LLAMA

El controle de combustión permite que se produzca y sostenga la llama. El sistema tiene una secuencia de encendido y operación automática para habilitar o deshabilitar el sistema de combustión, mediante el censo de variables como: existencia de llama, presión de atomización, demanda necesaria, etc. 8.8.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE TANQUES DE CONDESADOS

Para controlar el nivel de fluido en los tanques de condensado se usa válvulas flotador, es aconsejable utilizar controladores de nivel Warrick, electrodos y válvulas solenoides, para incrementar la seguridad.

8.9.

CONTROLES PARA MANEJO Y SEGURIDAD EN EL TANQUE DIARIO DE COMBUSTIBLE

Se usan como recipiente de calentamiento de fuel oil No.6 para ser manejado fácilmente por la bomba y apresurar la elevación de la temperatura en el precalentador. Deben estar provistos de: - Control de nivel - Resistencia eléctrica - Control de temperatura - Venteo - Bomba de trasiego - Drenaje - Termómetro - Entrada y salida de combustible

8.10.

CONTROL PARA SEGURIDAD DE GAS EN CHIMENEA

Es ubicado en algunas calderas un termómetro a la salida de los gases, en cual es enclavado directamente con el quemador pera desactivarlo cuando la temperatura supera el set point 51

indicado. Esta elevada temperatura puede originarse por falta de agua, hollinamiento e incrustaciones al lado del agua, etc.

8.11.

CONTROL PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE VAPOR DE LA CALDERA

Limita la presión de trabajo, deshabilitando el control de combustión cuando censa la presión establecida.

8.12.

CONTROL PARA MANEJO Y SEGURIDAD DE LA IGNICIÓN A GAS O ACPM

Lo más importante de este control es el regulador de gas pues debe ser su salida de menos de media libra, de lo contrario estaríamos mandando mucho caudal de gas y habría una posible explosión.

8.13.

VÁLVULAS DE SEGURIDAD

Se accionan a determinada presión de trabajo, desalojando cierta cantidad de vapor. Debe ser manipulada solo por personal autorizado, y contener los sellos de seguridad luego de manipulada.

8.14.

PURGAS

El agua y vapor presente en una caldera está provisto de sedimentos y material particulado que deben ser evacuados para evitar mal formaciones en la estructura y evitar la falsa toma de señales de presión y temperatura de los diferentes elementos de control y seguridad. Existen purgas de: Columna de agua - Se hace por lo menos cada turno. Si la cámara de Macdonnell se queda con lodos, el flotador se queda pegado dando una falsa señal de que la caldera tiene agua.

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Purga de fondo - Para desalojar los lodos de la caldera en la parte inferior. Si hay sedimentación se generan puntos calientes que agrietan y queman las láminas de la caldera. Purga continua - Desaloja los lodos que circulan en el agua, las espumas y las grasas. Es continua al mantener la válvula con una proporción de apertura.

9. FALLAS EN CALDERAS 9.1.

FALLAS EN EL ARRANQUE

Características: El quemador y el ventilador no arrancan (Hay enclavamiento eléctrico en las calderas moduladas). Posibles causas: Bajo nivel de agua, falla del sistema de energía eléctrica, interruptor manual defectuoso en posición off, control de operación o controles de carácter limite defectuosos o descalibrados, voltajes demasiado altos o bajos, control principal de combustión apagado o defectuoso, fusibles defectuosos en el gabinete de la caldera, térmicos del motor del ventilador o del motor del compresor que saltan, contactos o arrancadores eléctricos defectuosos, motores del compresor y/o ventilador defectuosos, mecanismos de modulación de fuego alto y bajo no se encuentran en la posición adecuado de bajo fuego y fallo en el fluido eléctrico. 9.2.

FALLAS EN EL ENCENDIDO

Características: Ventilador y Quemador arrancan pero no hay llama principal a) No hay ignición Posible causa: Falla de chispa, hay chispa pero no hay llama piloto, válvula solenoide a gas defectuosa, interruptor bajo fuego abierto.

b) Hay llama piloto, pero no hay llama principal Posibles causas: Llama piloto inadecuada, falla en el sistema de detección de llama, falla en el suministro principal de combustible, programador ineficaz.

c) Hay llama de bajo fuego, pero no de alto fuego. Posibles causas: Baja temperatura de combustible, presión inadecuadas de la bomba, motor modutrol deficiente, Articulación suelta o pegada.

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d) Falla de llama principal durante el arranque Posibles causas: Ajuste defectuoso de aire combustible, control de combustión o programador defectuoso.

e) Falla de llama durante la operación Posibles causas: Combustible pobre e inadecuado, fotocelda deficiente, circuito limite abierto, interruptor automático no funciona correctamente, motores ocasionan sobrecargas, control de combustión o programador defectuosos, calibración de quemador incorrecta, dispositivos de interconexión defectuosos o ineficaces, condiciones de bajo nivel de agua, falla en el suministro de energía eléctrica, proporción aire combustible.

f) No funciona el motor modutrol Características: No hay movimiento del modulador (modutrol) a las palancas que regulan el dámper. Posibles causas: Interruptor alto y bajo fuego en posición inadecuada, sistema de palancas pegadas, motor no se mueve a lato fuego durante la prepurga porque están sucios o abiertos los contactos del control de combustión, modutrol no va a bajo fuego porque los contactos no se abren, el motor es ineficaz (conexión eléctrica suelta, transformador del motor esta defectuoso).

9.3.

FALLAS EN LOS MATERIALES

9.3.1. Por corrosión Proceso de acción erosiva ejercida sobre la superficie interna de la caldera por la acción mecánica de materiales sólidos, abrasivos, transportados por el agua o los gases en circulación. La corrosión también se presenta por oxidación. 9.3.2. Por Sobrecalentamiento Cuando los materiales de fabricación de la caldera son expuestos a altas temperaturas se presentan fallas de diferentes tipos dependiendo de las causas que la generan. 9.3.3. Soldadura y construcción El conjunto de partes soldadas no debe ser poroso ni tener inclusiones no metálicas significativas, debe formar contornos superficiales que fluyan suavemente con la sección que se está uniendo y no tener esfuerzos residuales significativos por el proceso de soldadura. 54

9.3.4. Implosión y explosión Las explosiones en calderas suelen ocurrir cuando la presión a la que está operando la caldera supera la presión para la cual fue diseñada. Generalmente esto ocurre cuando algunos de los sistemas de alarma o control están descalibrados, dañados o no funcionan. Las implosiones en calderas ocurren generalmente cuando el flujo de agua de entrada para producir vapor no ingresa al equipo, ocasionando un sobrecalentamiento excesivo y el colapso del material.

10. PRUEBAS Y MANTENIMIENTO EN CALDERAS

10.1.

PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO, CAPACIDAD Y RENDIMIENTO EN CALDERAS

Cuando se opera con calderas y en especial cuando estas son adquirida por primera vez, es necesario realizar ciertas pruebas que garantizan la correcta operación de la caldera según las especificaciones dadas por el proveedor. Entre ellas se destacan:

a)

Inspecciones de fabricación y pruebas de comportamiento en fábrica: Consiste en la verificación de materiales especificados. Inspecciones radiográficas, ultrasonido, partículas magnéticas, balanceo estático y dinámico de rotores.

b)

Pruebas durante el montaje e instalación de los equipos. Consiste en la verificación de correcta instalación del equipo, apropiada ubicación, nivelación, alineamiento, soportes y utilización de métodos y procedimientos de montaje aceptables, calificación de soldadores y ejecución de inspecciones radiográficas, limpieza de tuberías y equipos, funcionamiento de controles y alarmas.

c) Pruebas de funcionamiento previas a la recepción por el cliente. Adelantadas por el contratista antes de la puesta en operación de la instalación. El cliente debe exigir pruebas de: Capacidad individual de cada equipo o sistema, correcto funcionamiento de protecciones, controles y alarmas, correcto funcionamiento de auxiliares y accesorios de cada equipo. Es importante que el cliente compare estos resultados con los especificados en el contrato. 55

d) Pruebas de capacidad y eficiencia garantizadas por el cliente. El objetivo es demostrar al cliente el cumplimiento de las garantías del contrato relacionados con la capacidad de producción de vapor y rendimiento de la unidad, así como su eficiencia.

10.2.

MANTENIMIENTO EN CALDERAS

Desarrollar un programa de mantenimiento permite que la caldera funcione con un mínimo de paradas en producción, minimiza costos de operación y permite un seguro funcionamiento. El mantenimiento en calderas puede ser de tres tipos: - Correctivo - Corregir - Preventivo - Prevenir - Predictivo - Predecir El manteamiento en calderas debe ser una actividad rutinaria, muy bien controlada en el tiempo. Es por ellos que se recomiendan las siguientes actividades a corto, media y largo plazo.

10.2.1. Mantenimiento diario 1) Ciclo de funcionamiento del quemador. 2) Control de la bomba de alimentación. 3) Ubicación de todos los protectores de seguridad. 4) Control rígido de las purgas. 5) Purga diaria de columna de agua. 6) Procedimiento en caso de falla de suministro. 7) Tipo de frecuencia de lubricación de suministro de motores y rodamientos. 8) Limpieza de la boquilla del quemador y del electrodo de encendido (si es posible). 9) Verificación de la temperatura de agua de alimentación. 10) Verificación de limpieza de mallas a la entrada del aire al ventilador, filtro de aire en el compresor, filtros de combustible, área de la caldera y sus controles. 11) Precauciones al dejar la caldera fuera de servicio, en las noches o fines de semana. 12) Verificación de combustión. 13) Verificación de presión, producción de vapor y consumo de combustible. 10.2.2. Mantenimiento mensual 1) Limpieza de polvo en controles eléctricos y revisión de contactos. 56

2) Limpieza de filtros de las líneas de combustible, aire y vapor. 3) Mantenimiento a todo el sistema de agua: filtros, tanques, válvulas, bomba, etc.. 4) Engrasar motores. 5) Desmonte y limpieza del sistema de combustión. 6) Verificar estado de la cámara de combustión y refractarios. 7) Verificar estado de trampas de vapor. 8) Limpieza cuidadosa de columna de agua. 9) Verificar acoples y motores. 10) Verificar asientos de válvulas y grifos. 11) Verificar bloqueos de protección en el programador. 12) Dependiendo del combustible incluir limpieza del sistema de circulación de gases. 10.2.3. Mantenimiento semestral Se incluye el programa mensual, adicionando: 1) Lavado interior al lado del agua, removiendo incrustaciones y sedimentos. 2) Verificar si hay indicios de corrosión, picadura o incrustación al lado del agua. Análisis periódico del agua. 3) Utilizar empaques nuevos en tapas de inspección de mano y hombre. 4) Cambiar correas de motor si es necesario. Revisar su tensión. 5) Limpiar los tubos del lado de fuego, pues el hollín es un aislante térmico. 6) Verificar hermeticidad de las tapas de inspección al llenar la caldera. 7) Verificar el funcionamiento de las válvulas de seguridad.

10.2.4. Mantenimiento anual Se incluye el programa semestral, adicionando: 1) Cambio de empaques de la bomba de alimentación si es necesario. 2) Mantenimiento de motores en un taller especializado. Desarme total con limpieza y prueba de aislamientos y bobinas. 3) De acuerdo a un análisis del agua y las condiciones superficiales internas de la caldera, se determina si es necesario realizar una limpieza química de la caldera.

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11. NORMAS DE DISEÑO En los años 20, no existía ningún criterio a la hora de diseñar calderas y recipientes a presión. Ocurrían explosiones por causas desconocidas. Fue entonces cuando en esta misma década la American Society of the Metal and Electricity (ASME) comenzó a crear códigos para utilizar en el diseño y control de los recipientes que fuesen a trabajar a presión. La ASME VIII Div. 1, Es la parte encargada de diseño, tiene distintas partes que comprenden cálculo de espesores, cálculo de aberturas, conexiones, etc. Esta norma para diseño de calderas y recipientes a presión es utilizada a nivel mundial, aunque existe otras normas como: Norma alemana (AD-Merkblätter), Diseño de calderas según normativa española UNE 9-300. Es necesario verificar que la empresa oferente de este tipo de equipos este certificada en cuanto a calidad, lo que implica que dicho fabricante usa alguna de estas normas para la fabricación y montaje.

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12. BIBLIOGRAFÍA

Elementos auxilidare de caldera, disponible en, http://libros.redsauce.net/, accesado el dia 27 de Ablil de 2012. INSTITUTO DE ENERGÍA Y TERMODINÁMICA – UPB. Calderas, 2002 , pg 5 a 15

BELTRÁN. M. A. B. Determinación de un Método de Ruta Crítica para el Montaje de Calderas Industriales, Univerdisad de Bio-Bio, Marzo, 2007.

JUNIOR, L. C. M.; Geradores de Vapor, Universidade Estadual do Rio Grande do Sul.

ARANGO, J. G. M. et al. Caldeiras de vapor. Instituto Tecnológico Metropolitano.

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