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• Joser Osorio Hernández

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INTRODUCCION El presente informe, describe de forma didáctica el funcionamiento de un circuito de control de una caldera pirotubular, muy útil y usada en la industria, mediante el siguiente documento se trata de dar unos conceptos generales y los fundamentos necesarios para el correcto aprendizaje de los sistemas de control. Notamos que en la aplicación de este sistema de control se deben usar diferentes dispositivos, como sensores, controladores actuadores y pantallas que muestran el funcionamiento de una planta de manera precisa y facilitando el trabajo a casi un 95%.

LAS CALERAS PIROTUBULARES Las calderas pirotubulares son aquellas en las que los gases de combustión pasan por el interior de tubos, sumergidos en agua, los gases al atravesar los tubos ceden su calor al agua, a la cual se le transfiere el calor. La principal característica es que la llama de la combustión, se forma dentro del hogar cilíndrico, los humos generados pasan por el interior de los tubos. Para finalmente ser conducidos a la chimenea de evacuación, los gases de la combustión se enfrían a medida que circula por los tubos, transfirieren el calor al agua. El vapor generado a través de la transferencia de calor a presión constante circula hacia el sistema de distribución, el cual se conforma por un conjunto de válvulas y tuberías aisladas, para finalmente distribuir el vapor a las unidades de trabajo. Las calderas son un factor muy importante en el campo industrial, debido a la demanda de muchos procesos industriales, algunas aplicaciones en industria son: • Embotelladoras • Industria alimenticia • Plantas textiles • Industria de cartón/papel • Procesadoras de plásticos • Plantas de industria química • Industria Petrolera • Generadores de Electricidad.

Principios de funcionamiento De Calderas Pirotubulares: RELACIONES DE ENTRADA – SALIDA Y RENDIMIENTO El rendimiento de una caldera relaciona su habilidad para transferir calor del combustible al agua satisfaciendo ciertas especificaciones de operación. El rendimiento de la caldera incluye todos los aspectos de la operación. Las especificaciones de rendimiento incluyen la capacidad operativa y los factores para ajustar esa capacidad, la presión del vapor, la calidad del agua de la caldera, las temperaturas de la caldera, el análisis de los gases de combustión, el análisis del combustible y de los residuos de combustión. Especificaciones adicionales de rendimiento indican incluir los requerimientos energéticos de los ventiladores (Lindsley, 1991). El resultado de un cálculo que involucra la especificación de rendimiento es una eficiencia calculada. La eficiencia de la caldera se presenta como un porcentaje entre del calor suministrado a la caldera y el calor absorbido por el agua de la caldera. CAPACIDAD Y RENDIMIENTO Las calderas pirotubulares generalmente se describen en términos de BoHP (caballos de fuerza de caldera. 1 BoHP = 34 475 Btu). La capacidad en BoHP de una caldera pirotubular moderna es aproximadamente un quinto del área total de transferencia de calor. Por ejemplo, una caldera de 500 BoHP tiene aproximadamente 2 500 pies cuadrados de superficie de calentamiento. Aunque estas calderas se describen en términos de BoHP, la energía liberada puede ser convertida fácilmente a unidades de presión o de flujo de vapor. Debido a que el contenido calórico de una libra de vapor se incrementa cuando la presión se incrementa en las calderas de tubos de fuego, las libras de vapor por BoHP decrecen con la presión. RELACIÓN ENTRADA - SALIDA La energía que entra en una caldera normalmente se piensa como el contenido de calor del combustible utilizado (Sintas, 1994). El flujo de este combustible medido durante un periodo de tiempo multiplicado por el contenido de calor de este combustible devuelve la entrada de energía total durante un período de tiempo. Medir la salida de energía de una caldera involucra medir el flujo de vapor en un periodo de tiempo y multiplicarlo por el contenido calórico de una libra de vapor para obtener la energía a la salida. Simples y útiles relaciones entre la entrada y la salida tales como las libras de vapor/galón de combustible pueden utilizarse efectivamente para seguir la eficiencia relativa. Estas relaciones, sin embargo, no son precisas debido a que factores como el contenido energético del combustible, el contenido energético del vapor, la temperatura del agua de alimentación, etc., no se consideran. La mayor pérdida energética de diversas calderas depende de la masa de los gases de combustión y su temperatura cuando salen de la caldera. Para obtener la pérdida neta de energía de los gases de combustión, la temperatura del aire de entrada al quemador y del combustible debe considerarse. Cuando el hidrógeno de los combustibles reacciona con el oxígeno del aire, forma agua, la cual sale de la caldera en forma de vapor sobrecalentado.

El calor latente de este vapor es una pérdida energética, la cual es aproximadamente del 5 al 6 % para combustibles líquidos como el diesel. El porcentaje de hidrógeno y humedad en el combustible afecta esta pérdida. La energía útil a la salida de las calderas es el calor transportado por el vapor. Esto se mide usualmente como un flujo de vapor en la caldera y se ajusta para obtener el contenido energético utilizando mediciones adicionales de presión o de temperatura, o ambas. Aunque estos procedimientos proveen información acerca de la salida de energía útil, no proveen información acerca de la contribución de la caldera a esta energía útil. Para determinar la contribución de la caldera, el calor del agua entrante debe sustraerse del calor transportado a la salida de la caldera. BALANCES DE MASA Y DE ENERGÍA INVOLUCRADOS Los balances de masa en una caldera de vapor se muestran en los diagramas de las Fig. 2.13 - Fig. 2.17 (Gilman, 2005). En la Fig. 2.13 se tiene el balance de materia principal, correspondiente al balance de agua dentro de la caldera. En este balance, la cantidad de vapor es normalmente 90 a 99 % de la salida.

CONTROL DE CALDERAS El sistema de control de una caldera es el vehículo a través del cual los balances de masa y de energía de la misma se manejan. Todas las principales entradas de masa y de energía de la caldera deben ser reguladas con el fin de alcanzar las condiciones de salida deseadas. Las mediciones de las variables de proceso a la salida proveen la información a la unidad inteligente del sistema de control. La Fig. 2.18 muestra como las partes de todo el sistema de control se coordinan en un sistema de control de caldera.

Para el requerimiento de energía a la entrada se debe desarrollar una señal de velocidad de combustión. Esta señal crea una demanda de combustible y de aire por separado. La masa de agua en el interior de la caldera también debe ser regulada, y el control de agua de alimentación regula la masa de agua en la caldera. La condición de temperatura final del vapor también debe ser regulada (para calderas que generan vapor sobrecalentado y tengan esta capacidad de control), y esto se logra a través del sistema de control de temperatura. Los efectos de las acciones de control de entrada interactúan, ya que la velocidad de combustión afecta la temperatura del vapor y la alimentación de agua afecta la presión del vapor, el cual es el parámetro que fija la demanda de velocidad de combustión. El sistema total debe por lo tanto ser aplicado y coordinado de tal forma que se minimicen los efectos de estas interacciones. PLANIFICACIÓN EXPERIMENTAL E IDENTIFICACIÓN NO PARAMÉTRICA: Cuando se investiga un proceso del que se tiene un conocimiento previo pobre, lo razonable es comenzar con un análisis transitorio o de respuesta en frecuencia para lograr una estimación grosera de la dinámica y de las perturbaciones, pudiéndose utilizar los resultados para planificar posteriores experimentos. Generalmente experimentos como la respuesta al escalón ofrecen información útil sobre el retardo de tiempo, constantes de tiempo y ganancia del proceso. Un análisis de respuesta estática permite analizar la respuesta estacionaria que presenta el sistema ante distintos estímulos, lo que se utiliza para determinar la región lineal de la planta. Basándose en los resultados obtenidos se puede mejorar la estructura del modelo y pueden diseñarse nuevos experimentos. En el caso específico de la identificación de la caldera de tubos de fuego utilizada en este experimento, se seleccionó como variable de entrada o manipulada el flujo de combustible al horno quemador y como variable de salida o controlada, la presión del vapor de salida de la caldera. Siguiendo los lineamientos anteriormente establecidos, se realizó un primer análisis a través de una prueba de ganancia estática, que sirvió de guía para estimar diversos modelos no paramétricos como también modelos paramétricos del proceso de interés. El procedimiento de identificación se llevó a cabo en la caldera pirotubular que se muestra en la Fig. 2.26. Aquí se observa el horno quemador, que es el encargado de realizar el proceso de combustión y por lo tanto, el que recibe el combustible. El sistema de control de la caldera es de tipo ON / OFF utilizando como sensor de presión un presostato de panel que no devuelve señal eléctrica alguna y que al llegar a cierto nivel de presión desconecta la alimentación eléctrica del quemador. Este sistema se utiliza como elemento de seguridad al programarse la desconexión en 150 kPa. Para poder actuar sobre la variable manipulada, se colocó una servoválvula que regula el flujo de combustible al quemador. En la parte superior de la caldera se aprecia la salida principal del vapor. Por razones propias de la estructura de la caldera no se pudo colocar un sensor de presión en su salida. El sensor fue colocado 10 metros más adelante, donde era factible su instalación.

Considerando que la presión del vapor en el cuerpo de la caldera constituye la variable controlada o variable de proceso (PV) y que el flujo de combustible que ingresa al quemador representa a la variable manipulada o variable de control (CV), el modelo matemático a obtener tendrá a la presión del vapor como variable de salida y al flujo de combustible como variable de entrada. En la Fig. 2.27 se presenta un diagrama tecnológico de la instalación experimental utilizada en la recolección de datos del proceso de variación de la presión del vapor en el cuerpo de la caldera.

Para efectuar la experimentación se contó con los siguientes equipos: • Sensor de Presión Motorola MPX5700AP (0-700 kPa de presión absoluta). • Servoválvula lineal. • Tarjeta DAQ National Instruments (LabPC+). • Computadora personal. Durante la experimentación se observaron algunos fenómenos propios de este sistema: • La cantidad de vapor consumido por los equipos que la caldera alimenta, es considerablemente menor que la cantidad que produce. Por esto, cambios muy pequeños en la apertura de la válvula ocasionan grandes cambios en la presión de vapor de la caldera. Se espera entonces obtener un modelo con una gran ganancia de estado estacionario. • Se observó un tiempo de retardo considerable, producto de la lenta dinámica del proceso. Adicionalmente, la medición de la presión de vapor no se realizó en a la salida de la caldera como se explicó. • La presión del vapor a la salida de la caldera no puede ser mayor a los 150 kPa por motivos de seguridad. Una vez establecidas las condiciones de experimentación, se procedió a realizar la prueba de ganancia estática. Como se mencionó, esta etapa tiene como objetivo conocer la región de operación en la que la caldera puede considerarse como un sistema lineal. Esta prueba consiste en: • Aplicar una entrada constante a la caldera durante tiempo indefinido hasta obtener el estado estacionario. • Registrar los valores de entrada y salida para el estado estacionario. • Incrementar ligeramente la entrada y se repetir el procedimiento. Con esta prueba se aprecia el efecto que la señal de entrada de distintos niveles de magnitud tiene sobre la señal de salida

CONTROL DE UNA CALDERA PIROTUBULAR

Descripción de sus componentes: 1 Válvula de Retención

para evitar el retorno de flujo en condiciones anormales

2 Válvula de Control de TDS para regular el flujo de agua de purga 3 Válvula de Interrupción

para aislar el sistema de control de TDS de la línea de purga

4 Controlador de Purga

para controlar el funcionamiento de la válvula de control de TDS

5 Codo Sonda

para alojar el sensor de TDS en la caldera

6 Sensor de Conductividad

para el monitoreo de la conductividad del agua de caldera

7 Enfriador de Muestras

para comprobar el estado de la muestra

8 Visualizador

para mostrar las lecturas de TDS en una posición remota

CONTROL SISTEMA AGUA VAPOR

Al ser una caldera de nivel de agua definido debe existir protección al menos por bajo nivel, a fin de impedir que los tubos de caldera sufran daños debido a la falta de refrigeración. En algunos casos, dependiendo de la caldera o del uso del vapor, existe protección por alto nivel para evitar que el agua pueda pasar al sobrecalentador o contaminar el vapor hacia posibles turbinas. Para la medida del nivel se representan transmisores de presión diferencial (LT), cuya lectura debe ser corregida por la presión del caldero al influir ésta en la densidad del agua, y por lo tanto en una medición de este tipo. La caldera es un aparato a presión, por lo que está sujeta al reglamento de aparatos a presión (RAP) vigente en España. El RAP exige el corte de la aportación calorífica cuando la presión del caldero excede un valor establecido. Dicho valor debe estar por debajo del valor fijado para el disparo de la primera válvula de seguridad del caldero. Estas mediciones se representan mediante transmisores de presión (PT). Las variables a controlar para mantener una producción de vapor continua en las condiciones deseadas serán las siguientes: a) Al ser una caldera de nivel de agua definido, éste debe mantenerse en su nivel normal de operación para conseguir un funcionamiento adecuado de la caldera. Para conseguir este objetivo se medirán: el nivel (LT), la presión (PT) para la corrección de aquél si fuese necesario, el caudal de agua de alimentación (FT) y el caudal de vapor (FT). Estas medidas de caudal deben ser corregidas, por temperatura y por presión y temperatura respectivamente si su medición está basada en la presión diferencial y existen importantes variaciones en estas variables. La cantidad de agua aportada en cada momento se manipulará mediante una válvula de control (LV). b) El vapor que se produce debe mantenerse en unas condiciones óptimas de presión y temperatura, por lo cual se tomarán medidas de la presión final del vapor sobrecalentado (PT) y de su temperatura (TT). La presión se mantendrá en el valor deseado mediante la aportación del combustible necesario. Para mantener la temperatura de vapor adecuada se usará una válvula de control (TV) que añadirá el agua de atemperación requerida. Dicha válvula se instalará entre las dos etapas de sobrecalentamiento. Finalmente, por motivos de control que se verán más adelante se medirá la temperatura (TT) del vapor a la salida de la primera etapa de sobrecalentamiento. c) El circuito de vapor para el sistema de sopladores incluye una válvula de corte que permite el paso o no del vapor, de una válvula de drenaje que se usa para evacuar el condensado así como para realizar el calentamiento de la línea, y de una medida de presión (PT) y otra de temperatura (TT) que se utilizan como seguridades de este sistema.

CONTROL SISTEMA AIRE GASES

En este circuito podemos observar como el aire es impulsado por el ventilador de tiro forzado que tras pasar por la caja de aire y los registros de los quemadores, en donde se produce la turbulencia necesaria para una combustión correcta, se introduce en el hogar. Una vez en él y tras producirse la combustión, los gases abandonan el hogar para pasar por el economizador y entregar parte de su calor antes de alcanzar la chimenea. Las variables que hay que vigilar en este circuito desde el punto de vista de las seguridades de la caldera serán las siguientes: a) Una de las variables más importantes con relación a la seguridad es el caudal de aire de combustión que se está suministrando al hogar. Para asegurarnos que este suministro es continuo y mayor que un mínimo, se supervisará que el ventilador de tiro forzado está en servicio (señal que se obtendrá desde el contactor del ventilador) y que el caudal de aire de combustión no es bajo (FT). Adicionalmente, se obtendrá de ésta medida el caudal mínimo necesario para realizar una purga de la unidad correcta antes de su encendido. Esta medida debe corregirse cuando existan grandes variaciones de la temperatura del aire si está basada en presión diferencial.

b) Al estar el hogar diseñado para soportar una presión determinada, se debe proteger éste por alta presión (PT) para evitar posible deformaciones de la envolvente. Si la caldera fuera de tiro inducido la protección debiera ser por depresión y si fuese de tiro equilibrado por ambas causas. c) Al existir una compuerta o álabes de entrada al ventilador para su modulación, se debe disponer de las posiciones de cerrado, para su arranque y de abierto para la supervisión de su correcto posicionamiento tras establecerse el máximo tiro natural en caso de pérdida del ventilador. Si existiesen más compuertas en el circuito, o en el caso de registros de aire, será necesaria al menos la indicación de abierta de cada una de ellas para la determinación del tiro natural. Las variables a controlar para mantener un caudal de aire adecuado que garantice una correcta combustión en las mejores condiciones de eficiencia y seguridad serán las siguientes: a) Al ser una caldera capaz de operar a distintas cargas entre un mínimo y un máximo, el caudal de aire de combustión deber ser ajustado a la cantidad adecuada para la cantidad de combustible que se está suministrando. Para ello se necesitará la medida de caudal de aire (FT) y un actuador sobre los álabes de entrada del ventilador al objeto de poder modificar su apertura y por tanto la aportación de caudal. Si las condiciones de temperatura del aire pueden variar sensiblemente es aconsejable la medición de la temperatura (TT) de éste para la corrección de la medida de caudal de aire si la medida de éste se obtiene mediante una lectura de presión diferencial.

b) A fin de que la combustión sea lo más eficaz posible, manteniendo el exceso de aire lo más bajo posible, se medirá el exceso de oxígeno existente en los gases. c) Dependiendo del tipo de quemadores que se usen, los registros de aire de éstos pueden o no tener que ser modulados, de acuerdo con la carga, para generar las turbulencias necesarias para una buena combustión. En este caso se necesitará un actuador que modifique su posición.

Instrumentación de campo En el control de proceso de combustión es necesario controlar el flujo de combustible en proporción adecuada al aire. Para el control del proceso se utiliza instrumentosde campo que permitan enviar señales análogas de 4-20 mA a un PLC, para que realice control y transmisión de la información a un sistema de adquisición y monitoreo de datos, y de este modo obtener un registro histórico de las señales y las alarmas generadas en el proceso. Las principales señales que intervienen son las siguientes:

Controlador Hibrido HC900 Honeywell. El controlador hibrido HC900 es un controlador avanzado, capaz de realizar control de lazos. Posee un conjunto de módulos y hardware para satisfacer las aplicaciones de control de procesos. El CPU tiene conectividad Modbus Ethernet, Serial RS232, RS485, para conectarse hacia otras interfaces. El controlador utilizado posee las siguientes entradas y salidas • Hasta 16 Entradas Análogas • Hasta 8 Salidas Análogas • Hasta 16 Entradas Digitales • Hasta 8 Salidas Digitales A continuación se muestran las partes del controlador. 1.- Bastidor 2.- Fuente de Alimentación 3.- Unidad Central de procesos 4.- Entradas/Salidas

El software Hybrid Control Designer (HCD) se utiliza para programar el Controlador Híbrido HC900, es la herramienta que permite cargar, descargar y realizar cambios en el programa, se comunica con el controlador HC900 a través del Puerto Ethernet o del RS232. El HCD se desarrolla sobre una PC con Windows XP. La figura 15 muestra los principales componentes de la interfase de usuario:

Pantallas del sistema control de combustión. Para la representación grafica de control de combustión de la caldera se utiliza el SCADA “Supervisory Control and Data adquisition” Vista Plantscape R400 de Honeywell, el cual sirve para visualizar y supervisar el proceso través de una interfase que tiene comunicación con el PLC a través del puerto Ethernet, el cual permite obtener tendencias en tiempo real, históricos de las señales de campo y de alarmas. Al ingresar al sistema, aparece la pantalla que se muestra en la figura.

Es la pantalla principal del sistema Control de Combustión. La pantalla Menú muestra los botones deacceso al sistema de control de combustión. Se visualizan los siguientes botones. • Monitoreo • Entradas Análogas • Entradas Digitales • Salidas Análogas y Digitales • Caldera • Control de quemador RM7800

Esta pantalla muestra las principales señales Se visualiza la caldera y las señales análogas para monitoreo del control un resumen de las que intervienen en el proceso. principales señales de los lazos de control.

Esta pantalla muestra las entradas análogas que intervienen en el control de combustión.

Esta pantalla muestra el estado de las salidas digitales del controlador Hibrido HC900.

Esta pantalla muestra los lazos de control, PV, SP, OP y modo de operación manual o automático.

En esta pantalla se visualiza información sobre el programador de seguridad de llama RM7800.

Muestra las salidas del sistema control de combustión.

Muestra las tendencias de las señales análogas Muestra las alarmas que han sido generadas del sistema, en esta tendencia se visualizan el comportamiento de la presión de vapor. La curva en celeste es la presión de vapor y la verde la apertura del actuador de combustible

CONCLUSION: Mediante el siguiente informe concluyo, que los sistemas de control son muy utiles, ya que gracias a ellos podemos desempeñar nuestros conocimientos y facilitar el manejo de las plantas industriales, se concluyo también que estos sistemas están basado es componentes eléctricos, neumáticos, hidráulicos, etc., que brindan un gran aporte ya que ellos remplazarían muchos hombres; se da cuenta de que los sistemas de control nos dan una exactitud y facilidad de ver el correcto funcionamiento de las plantas en la industria, y también nos facilita dándonos la alerta correspondiente cuando algo esta mal, dando pie al ajuste del SET POINT, para regular su funcionamiento, o con la necesidad de cambiar algún componente, cabe decir que estos sistemas deben ser calibrados cada cierto tiempo de acuerdo a las marcas usadas; para asegurar su correcto desempeño.

Bibliografía:

Comtrol Automatico TDS……http://www.spiraxsarco.com/es/applications/examples/boilerhouse/tds-automatic-control/continuous-monitoring-steam-boilers-type-bcs3.asp

Control de Calderas Industriales………..http://www.instrumentacionycontrol.net/es/cursocontrol-de-calderas/135-cap-12-control-de-calderas-industriales Control de Calderas ……………………….http://es.scribd.com/doc/17736156/Control-de-Calderas Desarrollo de un Sistema de Control Avanzado de la Presión del Vapor en una Caldera de Tubos de Fuego…………………….… http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/123456789/84/RODRIGUEZ_JOSE_SIST EMA_CONTROL_VAPOR_CALDERA.pdf?sequence=1 Diseño Del Control De Combustión Para Una Caldera Pirotubular, Utilizando El Controlador Hibrido HC900 Honeywell, Visualizado Por Medio Del Software Plantscape Vista R400.

……. http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/14803/1/Dise%C3%B1o%20del%20Co ntrol%20de%20combustion%20para%20una%20caldera%20pirotubular.pdf