control de nivel en calderas de generacion de vapor
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DEPARTAMENTO DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
DESCRIPCIÓN E IMPLANTACIÓN DE UN ESQUEMA EN PREALIMENTACIÓN
PARA UN SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL DE UNA CALDERA INDUSTRIAL.
CONTROL DE PROCESOS I
Prof. Efraín Roca
2002
CONTENIDO
1.- Introducción
2.- Controles involucrados.
3.- Control de Nivel
3.1.- Alternativas de Control de Nivel
3.2.- Esquema de Control de Un Elemento
3.3.- Esquema de control de Dos Elementos
3.4.- Esquema de Control de Tres Elementos
3.4.1.- Esquema FeedBack + FeedForward + Cascada
3.4.2.- Esquema Doble FeedForward + FeedBack
4.- Bibliografía
1.- Introducción.
El objetivo de una caldera industrial es la generación de vapor a unas condiciones
de caudal (Ton/Hr) y presión determinadas. El principio básico es el calentamiento
de un fluido hasta lograr su punto de ebullición. Por definición el fluido a calentar
es agua, en caso contrario la unidad recibe el nombre vaporizador.
En función de la posición relativa del fluido calefactor (gases calientes) y el agua,
las calderas se clasifican en:
- Pirotubulares: Los gases calientes circulan por el interior de los tubos de la
caldera.
- Acuotubulares: El agua o vapor circulan por el interior de los tubos de la
caldera.
El circuito de circulación del agua se aprecia claramente en la figura 1.
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Fig.1.- Circuito de circulación del agua.
Las acuotubulares son las más empleadas dado su mayor rango de presiones de
trabajo y rendimiento. Todo el contenido se referirá a las calderas acuotubulares.
2.- Controles y Variables involucradas.
A fin de que una caldera cumpla con su cometido, se requieren por lo general los
siguientes controles:
- Control de presión de vapor (Modulación de la combustión).
- Control de Nivel del Domo.
- Control y tratamiento del suministro de agua de entrada.
- Control y seguridad de llama.
Cada control enumerado anteriormente, involucra a su vez otras variables y/o
problemáticas adicionales. El enfoque se centrará en el Control del nivel del
Domo.
3.- Control de Nivel.
El objetivo del control de nivel de una caldera es el mantenimiento constante del
nivel de agua en el domo bajo todas las condiciones de carga de la caldera. Se
obtiene el control deseado cuando se logran balancear las masas de agua de
entrada con la del vapor de salida.
Esta relación 'uno a uno' se ve afectada ligeramente debido a pérdida de agua en
el domo causada por sedimentos y partículas en suspensión, las cuales se arrojan
al desague (Blowdown). Esto implica que se requiera una mayor cantidad de
agua de entrada a fin de lograr la misma masa de vapor.
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3.1.- Alternativas en el control de nivel.
Desde el punto de vista del control de nivel, las variables que deberían medirse
son:
Nivel del agua en el domo.
Caudal de vapor de salida.
Caudal de agua de entrada.
Presión de suministro de agua
Pérdida de agua en el domo por BlowDown.
En función de la cantidad de variables involucradas en el control de nivel, este
puede clasificarse en:
Tipo Nivel
Domo
Caudal
Vapor
Caudal
Agua
Presión
Agua
Pérdidas Agua
BlowDown
Un
Elemento
x
Dos
Elementos
x x
Tres
Elementos
x x x
Cuatro
Elementos
x x x x
Cinco
Elementos
x x x x x
Básicamente el tipo de control a emplear será función del tamaño de la caldera,
magnitud de los cambios de carga y el rendimiento.
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3.2.- Control por Un Elemento.
Con este esquema de control, simplemente se efectúa un control realimentado en
el nivel, tal como se ilustra en la figura 2.
Cabe mencionar que el control del nivel por Un Elemento tiene el inconveniente de
verse severamente afectado por los fenómenos de Expansión (Swell) y Reducción
(Shrink), los causan falsas indicaciones en el nivel cuando la caldera es sometida
a fuertes cambios de cargas. Este efecto es significativo en calderas de elevada
potencia y pequeño volumen.
Adicionalmente, este control presenta una pobre respuesta dinámica ante cambios
de carga, derivada de su concepción netamente realimentada.
El esquema de un control de un elemento se ilustra en la figura 2.
Fig.2.- Control de Nivel de Un Elemento.
Este modo de control es ampliamente usado en generadores de vapor de pequeña
capacidad. El algoritmo de control puede ser tanto del tipo todo-nada o
Proporcional + Integral (PI).4
3.3.- Control por Dos Elementos.
El esquema de dos elementos introduce control prealimentado (FeedForward) en
el caudal de vapor, tal como se ilustra en la figura 3. Este esquema permite
establecer un balance de masa controlando el caudal de entrada de agua en
función de la cantidad de vapor producido.
Fig.3.- Esquema de Control de Nivel de Dos Elementos.
La salida R del controlador, asumiendo un control Proporcional puro para la parte
realimentada, puede expresarse como:
Donde:
G1 = Ganancia del lazo realimentado de nivelSP = Punto de Control (Set Point) PV = Variable de Proceso (Process Variable)G2 = Ganancia de Alimentación directa (FeedForward)Fv = Flujo de Vapor.
(Ec. 1-1)
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A fin de entender el esquema de control propuesto, se explicarán las siguientes
fases de operación:
A.- Arranque con Flujo de Vapor cero (cero carga) .
La salida R del sistema de control esta compuesta únicamente por el termino
realimentado proporcional. Este generará una salida hasta alcanzar el error cero,
punto en donde la válvula se cierra completamente. Si los retardos son mínimos,.
no debería existir sobre-pico.
B.- Funcionamiento con carga (Flujo de Vapor distinto de cero).
Si se parte del estado estacionario logrado en el punto A, la salida R ahora será
función sólo del flujo de vapor. En otras palabras, debe introducirse una masa de
agua equivalente a la masa de vapor generada. Si el modelo es perfecto y la
válvula es lineal, la posición de la válvula será colocada en la posición exacta que
corresponda al flujo deseado. Con esto, el nivel debe permanecer inalterado sobre
el punto de control.
De esta manera, el producto G2.Fv, debe expresar directamente el caudal de
alimentación de agua requerido.
Adicionalmente, se podrá concluir, que si el modelo pre-alimentado es exacto,
basta solo un modo proporcional puro para la sección realimentada.
Para que el modelo propuesto funcione con exactitud, se requiere que la
característica de caudal efectiva de la válvula sea lineal. Dado que esto es difícil
de conseguir en la práctica, se generará un error u offset en el control del nivel, ya
que la ecuación 1-1 ya no es capaz de suplir el balance de masas requerido.
Adicionalmente, hay que considerar el efecto de descalibración de la
instrumentación con el tiempo.
A fin de minimizar el problema anterior, se adicionará acción integral al control
realimentado. Con esto, la ecuación de salida queda:
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Donde:
E = Error = SP - PV
Ti = Tiempo Integral
La limitación del control por dos elementos, es que el caudal de entrada de agua
puede variar con perturbaciones en el suministro (ej. cambio de la presión en la
línea de alimentación). Estas perturbaciones conducirán a la pérdida temporal del
equilibrio de masas, lo cual necesariamente incidirá en variaciones en el nivel del
domo. Será tarea del controlador realimentado, reajustar su salida a fin de lograr el
equilibrio de masas deseado, produciéndose un ciclo de recuperación oscilatoria
indeseado en la curva de nivel.
3.4.- Control por Tres Elementos.
Un control más efectivo, apto para calderas de mayor tamaño (> 20000 Kg/Hr) se
logra con el control por Tres Elementos. Este control persigue obtener la relación
de masas 'uno a uno' entre los caudales de vapor de salida y agua de entrada.
Al tomarse ahora en cuenta el caudal de entrada de agua, el esquema es efectivo
en sistemas donde existen múltiples generadores de vapor, en donde el aumento
de carga en un generador específico puede crear variaciones en la presión de
suministro.
Pueden existir dos variantes:
Feedback + FeedForward + Cascada
Doble FeedForward + FeedBack.
(Ec. 1-2)
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3.4.1.- Esquema Feedback + FeedForward + Cascada
Fig. 4.- Esquema de Tres Elementos (Feedback + feedFordward + Cascada)
Para este esquema, la estación o relé FY102 genera una salida compuesta por la
señal de control realimentado proveniente del LIC101 y de la señal pre-alimentada
dada por el caudal de vapor de salida. El valor de esta señal viene dada por la
ecuación 1-1 o 1-2 según el modo adoptado para el control realimentado.
Esta señal se toma como referencia (Set Point) para el controlador FIC101, el cual
opera como lazo secundario de una configuración en cascada conjuntamente con
FY102 actuando como controlador primario.
Nótese que el control del caudal de entrada de agua es compensado contra
perturbaciones en el suministro.
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3.4.2.- Esquema Doble FeedForward + FeedBack.
Fig. 5.- Esquema de Tres Elementos (Doble FeedForward + FeedBack).
En esta alternativa, la salida de la estación FY105 efectúa el balance de masa
entre Fv y Fa y su salida es la contribución del modo pre-alimentado del sistema.
Cualquier variación entre (Fv-Fa) producirá una acción compensadora inmediata.
La estación FY102 efectúa la suma de las señales de alimentación directa y
realimentada proveniente de LIC101. La salida de FY102 maneja a la válvula de
control.
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En modo formal, la regulación se establece cuando se logra un balance de masa
entre las masas de entrada y salida en el domo de la caldera, esto es:
Fa - Fv = Variación del Nivel
Entonces, la señal de alimentación directa de FY105, asumiendo transmisores de
igual rango y unidades será de la forma :
Para generalizar, se emplearan constantes independientes para cada transmisor
de caudal, resultando:
La señal de error 'E' del lazo realimentado de nivel LIC101 puede expresarse
asumiendo acción inversa como:
Entonces, la salida de LIC101 estableciendo un modo PI será:
La salida de la estación FY102 será entonces:
La ecuación 1-8, refleja claramente la conjunción de las contribuciones pre-
alimentada y realimentada. Nóte que variaciones tanto en el caudal de vapor como
en el de alimentación de agua, producirán una respuesta instantánea en la salida
[Ec - 1-7]
[Ec - 1-8]
[Ec - 1-4]
[Ec - 1-6]
[Ec - 1-5]
[Ec - 1-3]
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del sistema de control (por acción pre-alimentada) y no se genera variación alguna
en el nivel, si la instrumentación esta correctamente calibrada.
Bajo una condición de equilibrio másico y de error cero en el nivel, la ecuación 1-8
genera una salida dependiente únicamente del caudal de vapor y de la constante
de proporcionalidad del elemento final de control. Esta consideración permitirá
calcular las constantes G2, K1 y K2 en función de los transmisores empleados.
La razón de usar un controlador realimentado en modo PI en lugar de proporcional
puro, es la misma que la del sistema de control por dos elementos.
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4.- Bibliografía
A.- La Ingeniería de Control en Los Generadores de Vapor.
- G. Ghelfi , L Gutierrez - Universidad de Carabobo - 1991
B.- Instrumentación Industrial
- Antonio Creus Solé
- Editorial AlfaOmega - Marcombo - 4ta. Edición - 1989
C.- Control Automático de Procesos
- Smith - Corripio
- Editorial Limusa – 2001
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