calderas control isaupm

CONTROL DE CALDERAS

Pedro Manuel Redondo Sobrado

2Control / Enclavamientos de hornos de procesoMaster de Instrumentación y Control

Control de CalderasGeneralidades (I)

• Tipos de Caldera– PIROTUBULARES (Tubos de humo).– ACUOTUBULARES (Tubos de agua).

Con calderín agua / vapor. Paso único.

– Adicionalmente se pueden clasificar por:

ALTA o BAJA PRESIÓN.

VAPOR SATURADO o SOBRECALENTADO.

TIRO FORZADO, INDUCIDO o BALANCEADO.


Control de CalderasGeneralidades (II)

Caldera pirotubular


Control de CalderasGeneralidades (III)

Caldera paquete acuotubular


Control de CalderasGeneralidades (IV)

Circulación en una caldera acuotubular


Control de CalderasCalderas Industriales (Instrumentación I)

• Sistemas– Sistema AGUA-VAPOR.– Sistema COMBUSTIBLE-AIRE-GASES.

Sistema de aire-gases. Sistema de combustible.


• Sistema Agua-Vapor• Instrumentación necesaria para la Seguridad

Nivel del calderín. (LT o LSLL, LSHH). Presión del calderín (PT o PSHH).

– Instrumentación necesaria para el Control Control de nivel del calderín:

– Nivel y presión del calderín (LT y PT).– Caudal y temperatura agua de alimentación (FT y TT).– Caudal, presión y temperatura de vapor (FT, PT y TT).– Válvula de control de agua de alimentación (LV).

Control de CalderasCalderas Industriales (Instrumentación II)


• Sistema Agua-Vapor Instrumentación necesaria para el control

• Control de presión y temperatura de vapor:– Caudal, presión y temperatura de vapor (FT, PT y TT).– Temperatura de vapor después del atemperador (TT).– Válvula de control del atemperador (TV)

• Control de sopladores:– Válvula de corte de vapor.– Válvula de drenaje.– Presión de vapor (PT o PSL).– Temperatura en drenaje (TT o TSL).

Control de CalderasCalderas Industriales (Instrumentación III)


• Sistema Aire-Gases• Instrumentación necesaria para la Seguridad.

Confirmación de marcha del ventilador. Caudal de aire (FT o FSLL, FSH). Presión de hogar (PT o PSHH). Posición compuertas (ZSL, ZSH).

• Instrumentación necesaria para el Control. Control del aire de combustión

– Caudal y temperatura del aire (FT y TT).– Actuador compuerta ventilador (FV).– Exceso de Oxigeno en gases (AT).– Actuador registros de aire de quemadores (FV).

Control de CalderasCalderas Industriales (Instrumentación IV)


• Sistema Combustibles• Instrumentación necesaria para la Seguridad.

Ignitores– Válvula general de corte y venteo.– Dos (2) válvulas de corte y un venteo por ignitor.

Quemadores gas– Igual a los ignitores.– Válvula de carga del test de fugas.– Confirmaciones de posición cerrada de válvulas.

Quemadores fuel oil– Válvula de corte general y recirculación.– Válvula de circulación.– Válvula de corte para cada quemador.– Indicación de lanza de quemador acoplada.– Confirmaciones de posición cerrada de válvulas.

Control de CalderasCalderas Industriales (Instrumentación V)


• Sistema Combustibles• Instrumentación necesaria para la Seguridad.

• Presión gas ignitores (PT o PSL, PSH).• Presión gas quemadores (PT o PSL, PSH).• Presión fuel oil quemadores (PT o PSL, PSH).• Temperatura fuel oil (TT o TSL, TSH).• Presión diferencial fuel oil/vapor (PDT o PDSL).• Llama combustible detectada (BSL).

Control de CalderasCalderas Industriales (Instrumentación VI)


• Sistema Combustibles– Instrumentación necesaria para el Control.

Control gas natural.– Caudal, presión y temperatura del gas (FT, PT, TT).– Válvula de control del caudal de gas (FV).– Válvula de control de mínima presión (PV).

Control fuel oil (igual al gas salvo presión) Control vapor atomización.

– Presión diferencial vapor / fuel oil (PDT).– Válvula de control de vapor de atomización (PDV).

Control de CalderasCalderas Industriales (Instrumentación VII)


Control de CalderasIntroducción (I)

• Conseguir el equilibrio de masa y energía en la caldera ante variaciones de la demanda.– Equilibrio de masas - Control de nivel.– Equilibrio energético - Demanda de carga.

• El control debe estar diseñado para minimizar los efectos de las interacciones de las variables (sistemas multivariables).

• Lazos de control:– Simples: variables no influidas o que no influyen en otras.– Multivariables: variables afectadas o que afectan a otras.


Control de CalderasIntroducción (II)


Control de CalderasIntroducción (III)

• Circuitos de compensación para evitar que las perturbaciones en las variables afecten al proceso.

• Los lazos de control se pueden considerar de primer orden.

– Caudal - segundos.

– Caída de presión - segundos.

– Nivel - segundos a minutos.

– Aumento de presión - minutos.

– Temperaturas - minutos.

– Presión en líquidos - milisegundos a segundos.

• Evitar interferencia de ruidos en el sistema. – Medidas (p.e. Caudal).– Proceso (p.e. Hogar)


Control de CalderasControles auxiliares: Presión de FO

• Objetivo:– Mantener presión de suministro de fuel oil para poder

realizar el control de caudal de acuerdo a la demanda de carga.

• Filosofía de control:

– Regular el retorno de combustible al tanque.

– Lazo de control – PI simple.


Control de CalderasControles auxiliares: Temp. de FO (I)

• Objetivo:– Mantener la temperatura de suministro de fuel oil para

que la viscosidad sea adecuada para la atomización.


– Regular el caudal de vapor a través de los calentadores.

– Lazo de control – PI simple:

• Viscosidad constante – PI simple.


Control de CalderasControles auxiliares: Temp. de FO (II)


– Lazo de control – PI simple:

• Viscosidad variable - la viscosidad es la variable primaria y la temperatura la secundaria.


Control de CalderasControles auxiliares: Pres. Vapor atom.(I)

• Objetivo:– Mantener la presión de atomización para una

combustión óptima.


– Válvula de control en línea de aportación de vapor a los quemadores.

– Lazo de control – PI simple.


Control de CalderasControles auxiliares: Pres. Vapor atom.(II)


– En algunas ocasiones podemos encontrarnos que la Presión diferencial varía para las distintas cargas del combustible. En este caso, la consigna del diferencial de presión vendrá dada en función de la presión del fuel.


Control de CalderasControles auxiliares: Purga continua (I)

• Objetivo:

– Mantener la conductividad del agua dentro de los límites para evitar depósitos o arrastres de sólidos en el vapor.


– Válvula de control en la parte baja del calderín.

– Lazos de control:

Control de tres posiciones (control discreto).


Control de CalderasControles auxiliares: Purga continua (II)


– Válvula de control en la parte baja del calderín.

– Lazos de control:

PI simple con anticipación por caudal de agua para calderas con variaciones frecuentes (control analógico).


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (I)

• Consideraciones instrumentación:

– Medida de nivel - transmisores de presión diferencial.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (II)

• Consideraciones instrumentación:– Medida de nivel - transmisores de presión

diferencial. Presiones < 35 bares - no es necesario

compensar.

Presiones > 35 bares - compensar la medida con la presión en el calderín debido a las variaciones de densidad.

• Medidas de caudal - transmisores de presión diferencial. Se deben compensar las medidas por presión y temperatura.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (III)

• Objetivos:

– Mantener el nivel del calderín.

– Minimizar la interacción con el control de combustión, debido a la variación de la presión del calderín por un suministro desigual de agua.

– Cambios suaves en el agua almacenada.

– Equilibrar la salida de vapor con la entrada de agua.

– Compensar variaciones de presión del agua de alimentación.

Filosofía de control:• El típico control de nivel no es adecuado debido al esponjamiento y

contracción que se produce en el nivel ante cambios de carga, siempre se mueve en la dirección opuesta a la que intuitivamente se espera que ocurra.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (IV)

Al incrementar la demanda, el nivel se incrementa temporalmente debido a la disminución de presión (esponjamiento)

Al disminuir la demanda, el nivel se disminuye temporalmente debido al aumento de presión (contracción).


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (V)


– Control a un elemento.

Calderas pequeñas con calderín grande.

Cambios de carga lentos.

Puede haber problemas con el esponjamiento y contracción en el nivel debidos a los cambios de carga.

Ajuste del lazo debe ser con una ganancia grande y una integral lenta.

El elemento final debe tener una relación lineal con la señal de control, si no es así se debe añadir una caracterización.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (VI)


– Control a dos elementos.

Cambios de carga rápidos.

El caudal de vapor es la señal índice que anticipa las variaciones en el consumo.

Imprescindible que la relación entre la posición del elemento de control y el caudal aportado no cambie y sea conocido.

No tiene en cuenta variaciones en la presión de suministro de agua.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (VII)

Efecto de la presión de suministro en el control con dos elementos


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (VIII)


– Control a tres elementos.


Se añade el caudal de agua de alimentación, para evitar los problemas sobre la repetibilidad en el elemento final.

Alternativa 1ª: La señal de control del lazo a dos elementos se utiliza como consigna del regulador de caudal.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (IX)




Se añade el caudal de agua de alimentación, para evitar los problemas sobre la repetibilidad en el elemento final.

Alternativa 2ª: Regulador en cascada, donde el regulador de nivel marca la necesidad y la diferencia entre los caudales la variable de proceso.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (X)


– Control a uno y tres elementos.

Conmutación automática del lazo desde un elemento a tres elementos cuando el caudal es mayor del 20%.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (XI)


– Control a tres elementos + la presión del agua de alimentación (cuarto elemento).

Solo cuando las variaciones son muy grandes.

Varia la ganancia del lazo primario a tres elementos.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (XII)


– Opcionalmente en los esquemas de control se puede incluir el caudal de purga.

Solo cuando dicho caudal sea relevante.


Control de CalderasControl de Nivel / Agua Alimentación (XIII)


– En calderas con cambios de carga muy rápidos.

– El equilibrio agua – vapor debe tener en cuenta el vapor producido y el aumento de presión.

– Se puede incluir la presión en el calderín.

– Calderas con presión variable o deslizante.

– Densidad varía con la variación de la presión.


Control de CalderasControl de la Temperatura del vapor (I)

• Intercambiador de calor agua-vapor, no existen problemas de contaminación. Respuesta lenta.

• Objetivo:

– Mantener la temperatura del vapor dentro de un rango independientemente de la carga, sólo para calderas de vapor sobrecalentado.


– Control de la parte gases.

• Inyección directa de agua, problemas con la calidad del vapor. Respuesta rápida.


Control de CalderasControl de la Temperatura del vapor (II)


– Control a un elemento.

Calderas pequeñas.

Cambios lentos de carga.

Lazo de control - PI simple.


Control de CalderasControl de la Temperatura del vapor (III)



Alternativa 1: Utilizar el caudal de aire de combustión como índice de la válvula de spray. Sólo cuando exista un índice adecuado para el posicionamiento de la válvula.

También se puede utilizar el caudal de vapor producido.


Control de CalderasControl de la Temperatura del vapor (IV)



Alternativa 2: Utilizar la temperatura de vapor final como la variable primaria, y la temperatura de vapor tras el spray como variable del regulador secundario. Utilizar cuando no hay un índice o la atemperación es similar en todo el rango.


Control de CalderasControl de la Temperatura del vapor (V)



Se utiliza tanto el caudal de aire como la temperatura de vapor final.

Se evita el problema de las diferentes posiciones de la válvula de control dependiendo de la carga

Alternativa 1:


Control de CalderasControl de la Temperatura del vapor (VI)



Se utiliza tanto el caudal de aire como la temperatura de vapor final.

Se evita el problema de las diferentes posiciones de la válvula de control dependiendo de la carga

Alternativa 2:


Control de CalderasControl de la Temperatura del vapor (VII)



Si existe el caudal de agua de atemperación se puede utilizar como elemento adicional, evitando los problemas de repetibilidad del elemento de control


Control de CalderasControl de la Demanda (I)

• Objetivo:

– Generar la señal de demanda de carga a los quemadores (equilibrio energético).


– Establecer en el colector (punto de balance) un equilibrio entre energía suministrada y demandada (presión de vapor).

– El aumento de presión significa que el suministro es superior al consumo.

– El descenso de presión indica que el suministro es menor al consumo.


Control de CalderasControl de la Demanda (II)

• Filosofía de control:– Control a un elemento.


Variable de proceso puede ser:

1. Presión de vapor.

2. Caudal de vapor (varias calderas en un mismo colector).

La salida del lazo es la demanda de carga o de fuego.


Control de CalderasControl de la Demanda (II)

• Filosofía de control:– Control a un elemento.


Variable de proceso puede ser:

1. Presión de vapor.

2. Caudal de vapor (varias calderas en un mismo colector).

La salida del lazo es la demanda de carga o de fuego.

3. El operador decide entre presión o caudal.


Control de CalderasControl de la Demanda (III)

• Filosofía de control:– Control a dos elementos.


El caudal de vapor como suma ponderada de todos los caudales de todas las calderas involucradas, actúa como índice de la demanda de carga:

1. Directamente.


Control de CalderasControl de la Demanda (III)

• Filosofía de control:– Control a dos elementos.


El caudal de vapor como suma ponderada de todos los caudales de todas las calderas involucradas, actúa como índice de la demanda de carga:

1. Directamente.

2. Presión de vapor. Derivada del caudal (adecuado para casos que hay una caída de presión alta entre colector y caldera).


Control de CalderasControl de la Demanda (IV)

• Consideraciones:

– Reparto de cargas entre múltiples calderas.

Reparto manual por caldera.

- Problemas con los ajustes de los parámetros del lazo cuando se añaden o eliminan calderas en el sistema.

- Problemas con las calderas trabajando en manual, si modifican su carga, el control sólo modifica la carga de las restantes cuando se modifique la presión del colector.


Control de CalderasControl de la Demanda (V)



Reparto manual más regulador de compensación.


Control de CalderasControl de la Demanda (VI)

• Consideraciones:– Reparto de cargas entre múltiples

calderas. Reparto automático más regulador de

compensación.


Control de CalderasControl de la Demanda (VII)



Reparto automático en base al coste más regulador de compensación.


Control de CalderasControl de la Combustión (I)

• Objetivo:

– Mantener los caudales de aire y combustible de acuerdo a la demanda (equilibrio energético).

– Mantener una relación entre los caudales de aire y combustible que asegure que existe oxígeno suficiente para que la combustión se produzca de forma completa y segura.

– Mantener el exceso de aire mínimo que permita conseguir los mayores niveles de eficacia posibles.

– Mantener la demanda de los quemadores dentro de límites de su capacidad de operación.


Control de CalderasControl de la Combustión (II)

Mediante un único elemento mecánico de control que maneja tanto la válvula como los álabes (SPP).

Mediante dos órdenes en paralelo a los actuadores (PP).

Filosofía de control:• Control por posicionamiento.

Posicionar las válvulas de control y compuertas de acuerdo con la demanda. No existen medidas de caudales. Se basa en las medidas realizadas durante la puesta en servicio del equipo

para diferentes demandas. Existen problemas ante cambios de combustibles, temperaturas, etc.


Control de CalderasControl de la Combustión (III)

Filosofía de control:• Control por posicionamiento

en paralelo (PP).


Control de CalderasControl de la Combustión (IV)


– Control realimentado:

Se añade los caudales para evitar problemas con variaciones en combustibles, temperaturas, etc.

La relación lineal entre caudal de aire y combustible se realiza en el control de aire.

Los diseños utilizados son:

1. Control de combustible realimentado.

2. Combustible sigue al aire.

3. Aire sigue al combustible.

4. Control de combustión con límites cruzados.


Control de CalderasControl de la Combustión (V)


– Control Realimentado.

Combustible realimentado.


Control de CalderasControl de la Combustión (VI)

Combustible sigue al aire

Aire sigue al Combustible


Control de CalderasControl de la Combustión (VII)

Selectores cruzados


FC02

FC03

FX02A

FC04

A

B

FX04A

0- 7000 Kg/ h FO

0- 7000 Kg/ h FO

FX04B

HC04

Ratio Aire / FO

15 Nm3 Aire/ Kg FO

FX02B

Ratio FG /FO

FX053A

HC02

0.66

0- 105000 Nm3/h

0- 105000 Nm3/h

0- 105000 Nm3/hFT04

0- 1500 Nm3/h

FT03

0- 5000 Kg/hFT02

PX01

0. 75 Nm3 FG/ Kg FO

Ratio Pc FO / PC FGHX01

0- 100 bar

PC01

PT01

0- 100 Tm/hFI01

0- 10 %AT01

AC01

0-10 %

0- 7000 Kg/ h FO

0- 7000 Kg/ h FO

0- 7000 Kg/ h FO

0- 5000 Kg/ h FO0- 7000 Kg/ h FO

0- 1500 Nm3/h FX03B

Ratio Pc FO/ Pc FG

HX01

0. 75 Nm3 FG/ Kg FO

FX01A > FX

01B<

0--500ppmAT02

AC02

0-500 ppm

SP


Control de CalderasControl de la Combustión (VIII)


– Control del caudal de combustible:

La demanda de combustible se acondicionará dependiendo de la configuración del sistema de combustible:

I. 1 combustible - PI simple.

II. 2 combustibles, uno con caudal fijado por el operador.

III. 2 combustibles indistintamente pero nunca de forma simultánea.

IV. 2 combustibles con selección de relación entre ellos.

V. 2 combustibles uno de ellos prioritario.

Deben tenerse en cuenta ciertas consideraciones según número y tipo de quemadores en servicio.


Control de CalderasControl de la Combustión (IX)


– Control del caudal de combustible.

1 Combustible – PI simple.


Control de CalderasControl de la Combustión (X)



2 Combustibles. Uno sin control y otro con el caudal fijado por el operador.


Control de CalderasControl de la Combustión (XI)



2 Combustibles indistintamente pero nunca de forma simultánea.


Control de CalderasControl de la Combustión (XII)



2 Combustibles con selección de relación entre ellos.


Control de CalderasControl de la Combustión (XIII)



2 Combustibles con selección de relación entre ellos y compensación.


Control de CalderasControl de la Combustión (XIV)



2 Combustibles con selección de relación entre ellos (alternativa).


Control de CalderasControl de la Combustión (XV)



2 Combustibles uno de ellos prioritario (por disponibilidad)


Control de CalderasControl de la Combustión (XVI)


Control de CalderasControl de la Combustión (XVII)


– Consideraciones según número y tipo de quemadores en servicio.


Control de CalderasControl de Combustión (XVII)

XΔ><T

÷

XΔ

>T

÷

Δ

<

X

AB

Nº quemadoresFG = 1

Nº quemadoresFO = 3

Nº quemadoresFG = 1

Nº quemadoresFO = 3

% máximoQuemador = 25%

BA

FO/FO total

B: si hay quemadores mixtos y QUEMFG <= QUEMFOA: demás casos

B: si hay quemadores mixtos y QUEMFO < QUEMFGA: demás casos

75%

75%18.75%

56.25%

18.75%

56.25%56.25%

18.75%

6.25%

6.25%

6.25%

56.25%

6.25%

QUEMADORESEN SERVICIO 3

87.5%

65.62%

21.88%

21.88%

65.62%

65.62%65.62%

21.87%

3.2%

3.2%

3.2%3.2%

+

+

+ QUEMADORESMIXTOS


Control de CalderasControl de la Combustión (XVIII)


– Control del caudal de aire.

PI simple.

Filtrada al 25% para mantener velocidad mínima.

Si existe VTF y VTI, utilizar como señal de adelanto para el control de tiro la señal de control del VTF.


Control de CalderasControl de la Combustión (IXX)

• Filosofía de control:– Control del caudal de aire.

Control de rango partido turbina / álabes, para bajas velocidades se regulan los álabes, y cuando están al 100% se regula la velocidad del ventilador.


Control de CalderasControl de la Combustión (XX)



En instalaciones con dos ventiladores, tener en cuenta el posible fallo de uno de ellos. Por ello es muy útil tener un sistema de compensación automática del número de ventiladores.


Control de CalderasControl de la Combustión (XXI)



Control de los registros de aire a quemadores.

Función del caudal de aire y del numero de quemadores en servicio.


Control de CalderasControl de la Combustión (XXII)


Control de CalderasControl de la Combustión (XXIII)


Control de CalderasControl de la Combustión (XXIV)



Corrección del caudal de aire por oxígeno.

Corrección del caudal de aire por CO.


Control de CalderasControl de la Combustión (XXV)



Corrección del caudal de aire por oxígeno y CO2.


Control de CalderasControl de Tiro (I)

• Objetivo:– Mantener la presión del hogar dentro

de una estrecha banda para asegurar una combustión satisfactoria así como una operación segura.

• Filosofía de control:– Calderas con VTF y VTI.

El VTF se encarga de mantener el caudal de aire de combustión.

El VTI controla la presión del hogar variando su succión.

1. Ganancia Fija.

2. Ganancia Variable.


Control de CalderasControl de Tiro (II)


– Calderas con dos VTIs.

Salida partida según el equipo.

Lazo preparado ante fallo de un equipo.

Compensación automática del número de ventiladores en servicio.


Control de CalderasControl de Tiro (III)

• Filosofía de Control:

– Control de tiro incluyendo control contra implosiones.

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