Control de temperatura del vapor de calderas

Objetivo

De acuerdo con los requerimientos de la NFPA 8502, un sistema de control de combustión debe cumplir, entre otros, con los siguientes requisitos de diseño(1):

- El control de combustión debe mantener la relación aire-combustible en un rango que asegure una combustión continua y una llama estable en todas las condiciones de operación.

- La  demanda  de  combustible  no  debe  incrementar  nunca  el  caudal  de combustible por encima del de aire.

- La demanda de combustible no debe nunca exceder la capacidad de los ventiladores en servicio.

- Cuando se queman múltiples combustibles, se totalizarán basándose en sus poderes caloríficos.

- La aportación de calor a una zona o quemador no debe exceder los límites especificados.

(1) Al objeto de permitir sistemas de control sencillos para calderas pequeñas, aunque son recomendables, no todos estos requisitos aplicaran a calderas de un quemador.

Bajo estas premisas, los objetivos principales del control de combustión son los siguientes:

- Mantener los caudales de aire y combustible de acuerdo con la demanda de carga de la caldera, para entregar al sistema la energía requerida para el suministro del caudal de vapor deseado, manteniendo el 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, dentro de los requisitos del punto anterior, un exceso de aire mínimo que permita conseguir los mayores niveles de eficacia posibles.

- Mantener las demandas a los distintos quemadores dentro de los límites de su capacidad de operación, asegurando con ello el correcto funcionamiento de éstos.

Filosofía del control

Existen muchos diseños posibles para el control de la combustión, en gran parte debido a la gran variedad de combustibles que se pueden utilizar en las calderas. Los diseños explicados de aquí en adelante estarán basados en el supuesto de que los combustibles sean del tipo gaseoso o líquido cuyo suministro a la caldera se hace mediante válvulas de control.

Los sistemas de control de la gran mayoría de las calderas actuales son controles analógicos que incluyen las medidas de todas las variables principales del proceso. Sin embargo, para pequeñas calderas, normalmente de un quemador, se pueden utilizar sistemas de control más simples.

Control por posicionamiento

Este tipo de control se basa en el posicionamiento de las válvulas de control y de la compuerta del ventilador de acuerdo con la demanda del regulador master. En este tipo de control no existen medidas ni de combustible ni de aire, sino que basándose en las mediciones realizadas durante la puesta en servicio del equipo se hacen los ajustes necesarios para fijar la posición de los equipos de acuerdo con la demanda.

La forma más sencilla de este tipo de control es usando un elemento de control (Single Point Positioning) manejado por el regulador master que rota un eje (jackshaft) que modifica las aperturas de las válvulas de control y de los álabes del ventilador (Figura 3-47) a los que está mecánicamente unido.

Figura 3-47. Control por posicionamiento (SPP)

El sistema se ajusta haciendo lineal la señal de demanda con la entrega de caudal de aire, al tiempo que el combustible se ajusta para coincidir con dicho aporte de aire. En la Figura 3-48 se muestra otra forma de control por posicionamiento en la que no existe ya el enclavamiento mecánico, sino que se envían órdenes en paralelo (Parallel Postioning) a los actuadores del combustible y del aire. En este control se puede ajustar la relación entre el aire y combustible e incluso establecer una corrección por oxígeno (Figura 3-49).

Obviamente, este tipo de control tiene muchos inconvenientes. Las variaciones en la temperatura o presión de los combustibles o las variaciones en la temperatura, presión o humedad del aire, que conllevan distintos caudales para las mismas posiciones de válvula, producirían serias variaciones en la relación aire-combustible. Además la precisión del sistema al carecer de medidas es deficiente.

Figura 3-48. Control por posicionamiento en paralelo (PP)

Figura 3-49. Control por posicionamiento en paralelo (PP)

Control realimentado

Estas deficiencias se resuelven utilizando un diseño (Figura 3-50) en el que las medidas del caudal de combustible y de aire se utilizan como realimentaciones para mantener dichas variables en sus puntos de consigna requeridos.

Figura 3-50. Control realimentado de combustible

Con este diseño la relación lineal necesaria entre el caudal de aire y combustible se hace en la medida del aire. Además se puede poner a disposición del operador una estación manual que le permita modificar la relación aire-combustible.

Otras variaciones de este diseño son las que se muestran en las Figura 3-51 y Figura 3-52.

En la primera de ellas la demanda de carga se envía como consigna del regulador del caudal de aire y la salida de éste como consigna del de combustible. En la segunda se hace lo contrario, la señal de demanda se envía como consigna del regulador de combustible y la salida de éste como consigna del de aire.

Figura 3-51. Control de combustión. Combustible sigue a aire

Sin embargo, estos diseños siguen siendo deficitarios desde un punto de vista de la seguridad, al no asegurar para todas las condiciones de operación la cantidad de aire suficiente para la correcta combustión.

Si por ejemplo existe un incremento en la demanda de carga, en el caso de la Figura 3-51, se aumentaría el aire y luego el combustible, pero en la Figura 3-52, aumentaría el combustible y luego el aire, lo cual obviamente es peligroso. Por el contrario, si existiese una bajada en la demanda, en la Figura 3-52 se bajaría primero el combustible y luego el aire, pero en la Figura 3-51, disminuiría antes el aire que el combustible, lo cual también es peligroso.

Como se ve, un diseño en un caso y el otro en el contrario resultan peligrosos al poder reducirse la relación aire-combustible por debajo de su valor de seguridad. En el diseño de la Figura 3-50 ante cualquier fallo en el posicionamiento se podría producir esta situación.

Figura 3-52. Control de combustión. Aire sigue a combustible

Con el fin de aumentar el nivel de seguridad en la relación aire-combustible y acabar con el problema expuesto se utiliza el diseño de la Figura 3-53 que se conoce normalmente como límites cruzados.

Con esta disposición, la demanda de carga de caldera se filtra a través de unos selectores de máxima y mínima, en donde es comparada con el caudal total de combustible y aire respectivamente. La salida del selector de máxima se envía como consigna del regulador de aire, y la del de mínima como consigna del de combustible.

De este forma, ante un aumento en la demanda de carga, es el caudal de aire el que primero se incrementa y según lo va haciendo se incrementa el de combustible. Cuando por el contrario, se produce una disminución en la demanda de carga, es el caudal de combustible el que se reduce en primer lugar y el de aire lo va haciendo en la medida en que lo hace aquél. Igualmente, si por cualquier motivo se produce una disminución en el caudal de aire, o un aumento en el de combustible inesperado, los selectores actúan de forma que el caudal de aire se ajusta inmediatamente. Así se asegura que en todo momento el caudal de aire existe, al menos, en la cantidad necesaria para asegurar una combustión completa.

Figura 3-53. Control de combustión con límites cruzados

3.6.1   Control del caudal de combustible

La demanda de combustible, procedente del selector de mínima, se acondicionará dependiendo de la configuración del sistema de combustibles. Dentro de las múltiples configuraciones que éste puede presentar destacaremos las siguientes posibilidades:

a) Un combustible.

b) Dos combustibles con uno de ellos en carga fija sin control

c) Dos combustibles indistintamente

d) Dos combustibles con selección de la relación entre ellos

e) Dos combustibles con uno de ellos prioritario según disponibilidad

f) Consideraciones de acuerdo con el número y tipo de quemadores en servicio

A continuación se explican en detalle.

a) En el caso de una caldera con un único combustible, la señal de demanda se enviará como consigna de un lazo PI simple como el que se muestra en la Figura 3-54. Si el caudal supera la consigna, la válvula cerrará, y viceversa. El ajuste de este regulador se hará siguiendo las pautas del de cualquier regulador de caudal.

Figura 3-54. Control de combustión para un combustible

En el caso en que el combustible tenga recirculación permanente, hay que considerar que cantidad de combustible está recirculando para no considerarlo en el cómputo, tanto del regulador de caudal como en el de la señal al límite cruzado. La válvula de control de caudal puede estar situada en estos casos en el retorno, con lo cual la acción del regulador deberá ser directa en lugar de inversa.

b) Cuando existe un combustible que aporta una cantidad de calor fija a la caldera, esta aportación fija se puede restar de la demanda de combustible y enviar el caudal del combustible como variable de proceso al regulador de caudal. También podemos enviar como consigna la demanda de combustible directamente y usar como variable de proceso la salida del sumatorio. En ambos casos, el aporte de calor entregado por el combustible fijo debe sumarse al caudal suministrado por el combustible controlado, basándose en sus poderes caloríficos y sus necesidades de aire, de forma que sea considerado en los límites cruzados para la demanda de aire (Figura 3-55).

Figura 3-55. Un combustible sin control

c) La Figura 3-56 muestra la configuración en el caso de que lo que se quiera sea quemar indistintamente dos combustibles. Los caudales de ambos combustibles se totalizan combinando los efectos de la diferente aportación calorífica, las diferentes necesidades de aire y el diferente exceso de aire permitido.

Suponiendo que el primer combustible entrega un caudal de a kcal/hr y el segundo de x, que el primero necesita b kg/hr de aire y el segundo y, y que el primer combustible requiere un c % de exceso de aire por un z % del segundo, el cálculo de la suma vendría dado por caudal 1+k* caudal 2 siendo K=(a/x)(b/y)(c/z). Cuando existen más de dos combustibles, se usará siempre el mismo combustible como base para las relaciones del resto.

Figura 3-56. Dos combustibles indistintamente

Esta configuración será adecuada cuando el sistema queme dos combustibles pero no de forma simultánea, puesto que la ganancia del sistema sería doble si el regulador se ha ajustado con uno en funcionamiento y la mitad si se ajusta con los dos y sólo hay uno. Cuando se quiere quemar dos combustibles simultánea e indistintamente se debe considerar que la aportación total no debe variar. Para ello se puede utilizar la configuración de la Figura 3-57 en la cual la señal de demanda a las válvulas se parte en la relación deseada. Así la señal de demanda total se multiplica por la relación deseada para uno de los combustibles y la salida de esta multiplicación se resta de la demanda total para generar la demanda al otro combustible. De esta forma, la demanda total no sufre modificación.

Figura 3-57. Dos combustibles en relación

De forma análoga a lo que vimos anteriormente en la generación de la señal de demanda de carga de caldera, el problema que existe en esta configuración es que ante el disparo de uno de los combustibles el sistema no reacciona adecuadamente. Para solucionar este problema se procederá de la misma forma, como se muestra en la Figura 3-58.

Figura 3-58. Dos combustibles con compensación

Los pesos de las distintas señales en el sumador se darán de acuerdo con las capacidades de las válvulas de control respectivas.

d)   Cuando lo que se requiere es establecer una relación de caudales por motivos de costo u otros cualesquiera, se utilizará la configuración de la Figura 3-59.

Figura 3-59. Alternativa a dos combustibles en relación

En esta disposición la suma de los caudales se usará sólo en el límite cruzado mientras que cada caudal individualmente se enviará a su respectivo regulador PI como variable de proceso. Las señales de consigna de cada uno de los reguladores se obtienen de partir la señal de demanda total mediante una estación manual que establece la relación deseada. Para que no existan perturbaciones en la carga ante posibles disparos de alguno de los combustibles, la salida de la estación manual que marca la relación deberá contemplar las distintas posibilidades, de forma que dicha relación esté de acuerdo con la máxima disponibilidad presente en cada combustible.

e) Existen muchas instalaciones en las que en los distintos procesos de fabricación se generan diferentes tipos de combustibles de rechazo, que suelen ser aprovechados mediante su combustión. Habitualmente, por motivos medioambientales y económicos es prioritario que dichos combustible se quemen de forma continua de acuerdo con su disponibilidad. La Figura 3-60 muestra la configuración del lazo para este tipo de particularidad.

Figura 3-60. Un combustible prioritario por disponibilidad

La señal que nos indica la disponibilidad es en este caso obtenida de un regulador PI que utiliza como variable de proceso la presión en el colector de suministro del combustible de rechazo. Esta señal se podría obtener igualmente de una señal de nivel de un tanque, etc.. De acuerdo con la estrategia global utilizada, la salida del regulador de disponibilidad se enviará directamente a su válvula de control y tras restarse de la demanda total de combustible se enviará directamente a las válvulas de control de los otros combustibles, o se enviará como consigna de su regulador y la resta tras filtrarse por la relación de combustibles deseada se enviará a las consignas de los reguladores del resto de combustibles (Figura 3-61)

Figura 3-61. Alternativa a un combustible prioritario (Click para agrandar)

f) En todas las configuraciones vistas hasta el momento, no se ha tenido en cuenta en modo alguno el número de quemadores con el que cuenta la caldera. Como consecuencia, ante el disparo de un quemador y puesto que la demanda de combustible no se modifica por ello, los otros quemadores absorberán la carga del quemador disparado. Esto puede llevar a que se sobrepasen los límites de aportación de calor soportados, bien por el equipo, bien por determinada zona de la caldera. El problema obviamente se agrava cuando el número de quemadores no es muy grande. Si suponemos una caldera de cuatro quemadores en la que cada uno aporta un 25 % de caudal, el disparo de uno de ellos con la caldera a plena carga, hará que cada uno de los tres quemadores que permanece en servicio aumente su carga en un 8,3 %, pudiendo originar problemas de longitudes de llama, de calentamiento puntual de tubos, etc.

Para solucionar este problema se puede usar una configuración como la que se muestra en la Figura 3-62. La demanda de carga se limita de acuerdo con el número de quemadores de cada tipo que están en servicio. Sin embargo, esto no será suficiente cuando existe la posibilidad de quemar dos o más combustibles en el mismo quemador. Para no sobrepasar la capacidad individual de cada quemador cuando más de un combustible está en servicio, se limita la capacidad del combustible presente en menos número de quemadores, de forma que la suma de ambos combustibles no sobrepase la capacidad de 25 % en un quemador. Supongamos que tres quemadores de fuel oil están encendidos y uno de ellos quema además gas, siendo la demanda de 75% y la relación requerida del 25% de gas. En estas condiciones la demanda de fuel oil será de un 56.25 % (75*.75) y la de gas 18.75 %. Al haber tres quemadores de fuel oil en servicio la carga de cada uno será de 18.75 %, con lo que el quemador que está quemando mixto tendría una carga del 37.5 %. Al aplicarse los límites por quemador, el gas quedará reducido a una carga máxima de 6.25 % (25-18.75) de forma que no se sobrepase el límite.

Otra posible circunstancia a tenerse en cuenta para limitar su repercusión, es la descompensación de carga entre los distintos niveles de quemadores. En gran parte de calderas industriales a las que se refiere este curso, la aportación de aire a los quemadores se modula de forma global a todos los quemadores de acuerdo con la carga. Como consecuencia, si existiese un desequilibrio grande en la aportación de combustible a los quemadores, conllevaría el que parte de ellos estuviesen quemando con un gran exceso de aire y otros por el contrario con un gran defecto de aire. Esto puede pasar cuando se queman más de un combustible pero no se hace en todos los quemadores, o cuando un nivel está quemando un combustible en manual y el otro trabaja en automático con el otro combustible.

Figura 3-62. Limitación en función de los quemadores

3.6.2   Control del caudal de aire

Para el control del caudal de aire a la caldera se utiliza la estructura típica de un lazo de control PI simple como el que se muestra en la Figura 3-63.

La medida del caudal de aire se caracteriza mediante el f(x) para las necesidades de los combustibles existentes, de forma que exista una relación lineal 1 a 1 entre combustible y aire, incluyendo la combustión mixta si existe.

La señal de consigna del regulador será la procedente del selector de máxima entre la demanda y el caudal de combustible, tras filtrarse por un límite de mínima del 25% que asegure una velocidad mínima del aire a través de la caldera. La variable de proceso será el caudal de aire tras hacerlo lineal con respecto al caudal de combustible. El ajuste del regulador se hará siguiendo las pautas para cualquier lazo de caudal. Se debe recordar que las respuestas del control de combustible y del de aire deben ser lo más simultáneas posibles para evitar al máximo las interacciones, por lo que finalmente el ajuste de alguno de estos lazos puede ser inferior al óptimo.

Figura 3-63. Control del aire de combustión

Cuando la instalación usa ventiladores de tiro forzado e inducido, es aconsejable usar la señal al elemento de control de caudal de aire como señal de anticipo (feedforward) en el control de tiro.

En algunas instalaciones el control del caudal del aire se realiza no sólo mediante el posicionamiento de los álabes de entrada al ventilador, sino que además éste trabaja a velocidad variable a fin de optimizar el rendimiento. En estos casos, la señal de demanda al elemento de control se debe caracterizar de forma que los álabes regulan mientras el ventilador se mantiene a la mínima velocidad, y una vez aquellos han alcanzado su apertura máxima se modula la velocidad del ventilador (Figura 3-64).

Como en la parte final del recorrido de los álabes la variación del caudal apenas será significativa, y a fin de mantener una respuesta lo más lineal posible, existirá un solapamiento en el que se abrirán los álabes al tiempo que se aumenta la velocidad del ventilador.

Figura 3-64. Control de rango partido turbina/álabes

Figura 3-65. Compensación automática del nº de ventiladores

En algunas instalaciones el aire de combustión es generado por dos ventiladores trabajando en paralelo. En estos casos se debe considerar el posible fallo de uno de los ventiladores.

Como ya hemos visto en diversas situaciones similares anteriormente, mediante la inclusión de un regulador de compensación (Figura 3-65) se pueden solucionar tanto los problemas de ganancia para diversas condiciones como las respuestas ante fallos de los equipos.

En aquellas instalaciones en las que existe una regulación de los registros de aire a los quemadores, la señal a éstos se obtiene de la demanda de salida al elemento de control del caudal (Figura 3-66).

Figura 3-66. Control de los registros de aire de quemadores

La salida a los registros hay que acondicionarla de acuerdo con el número de quemadores en servicio, pues la carga de cada uno de ellos dependerá de la carga de caldera y del número de ellos en servicio.

Aunque la caracterización de las señales de combustible y aire se ajusten para todo el rango de operación y se logre mantener una relación de combustible aire satisfactoria, ésta por las propias restricciones del proceso nunca será la óptima para mantener la combustión más eficiente posible si sólo se aplican los controles explicados. Para mantener el exceso de aire mínimo necesario para una combustión segura y eficaz, es necesario analizar los gases de la combustión y usar el resultado de dicho análisis para la optimización del control de combustión.

La relación óptima entre aire y combustible viene marcada para cada combustible por un porcentaje de exceso de oxígeno y de CO2. Mientras el porcentaje en O2 es único y válido como un índice inequívoco de la calidad de la combustión, el CO2 como se observa en la Figura 3-67 puede tener el mismo valor en condiciones óptimas o inseguras, por lo que su uso como variable de proceso principal se descarta y sólo se suele usar como variable secundaria. Por otra parte, el índice de inquemados en la combustión queda definido por el CO existente en los gases. El aumento del nivel de CO en los gases es indicativo de que la combustión no es completa.

Figura 3-67. Relaciones O2, CO2, CO

Existen, en función de la variable utilizada, dos teorías básicas de control que se usan con el análisis de los gases de combustión.

La primera de ellas usa el porcentaje de oxigeno como variable para corregir la medida de aire. Para ello se utiliza un regulador PI simple como el de la Figura 3-68 en el que la variable de proceso será la medida del analizador de O2. La consigna vendrá dada a través de un generador de función que nos relaciona la carga de la caldera con el exceso de oxígeno óptimo, puesto que dicho exceso va disminuyendo con la carga como se muestra en la Figura 3-69. Esta relación debe considerar la posible combustión mixta.

El ajuste del regulador debe tener una ganancia pequeña basada en la relación existente entre un cambio en el exceso de aire y en el caudal de éste. La acción integral será igualmente baja al ser la constante de tiempo grande, transcurren al menos 20 o 30 segundos desde que se toma la acción hasta que se refleja en una nueva medición. Debido a la fiabilidad de la medida y a las posibilidades de fallo de los analizadores en comparación con los medidores de caudal, la salida del regulador se utilizará como factor de multiplicación del caudal de aire sólo entre unos límites de 0.85 a 1.15.

En la segunda variante la variable de proceso será la medida de CO en ppm y la consigna ha venido dada tradicionalmente por el CO que se desea mantener. Generalmente se ha aceptado que el CO permanece constante con la variación de la carga y que manteniendo unos niveles en torno a 200 ppm se asegura una combustión eficaz. Sin embargo, esta suposición no es cierta y al igual que en el caso del O2 el CO deberían variar y probablemente incrementarse con la carga.

Por   este   motivo   el   control   del   CO   sería   igualmente   realizado   con   una configuración como la de la Figura 3-68.

Figura 3-68. Corrección del caudal de aire por O2

En algunas instalaciones, se opta por una corrección del caudal de aire mixta basada tanto en la medida de O2 como en la de CO2 (Figura 3-70).

Figura 3-69. Exceso de oxígeno en función de la carga

Figura 3-70. Corrección del caudal de aire por O2 y CO

En este caso se usa un control en cascada en el que la variable primaria es el CO cuya consigna se define en función de la carga. La salida de este controlador se utiliza para corregir la consigna también en función de la carga del regulador de O2

Enclavamientos

El control de combustión de una caldera está estrechamente ligado al sistema de seguridades de la misma. Por este motivo, existen diversos enclavamientos procedentes de éste que actúan sobre la configuración del control de combustión, como son los siguientes:

- Los reguladores de control de caudal de combustible se forzarán a su posición de encendido cuando no exista ningún quemador en servicio, de forma que la válvula de control se encuentre en dicha posición cuando se va a realizar su encendido.

- El regulador de control de aire se fuerza a una posición determinada durante la purga de la caldera, además de llevarse al 100% en el caso de pérdida de ventiladores para efectuar la secuencia de tiro natural.

- En el caso de existir dos ventiladores, la salida individualizada se forzará a 0 % cuando su correspondiente ventilador se encuentre fuera de servicio, a menos que se produzca la pérdida total de ventiladores, en cuyo caso debe realizarse el tiro natural, para lo cual se llevará como se ha dicho al 100%.

- Como se comentó anteriormente, el número de quemadores en servicio actuará sobre la estación manual que fija la relación entre los combustibles de forma que exista congruencia entre los quemadores en servicio y la relación pedida.

- Igualmente, el número de quemadores en servicio fijará los límites en la demanda a sus respectivos reguladores en función de la carga máxima soportada por cada quemador.

Por otra parte, como ya se comentó en el caso de que se usen equipos de capacidad parcial la pérdida de éstos debe limitar la demanda de carga.

A fin de evitar relaciones de aire combustible no deseadas, los reguladores de combustible han de permanecer en manual mientras el regulador de aire esté en manual.

Para evitar la saturación en el control de O2, este lazo estará en manual mientras lo esté el de caudal aire o bien se mantendrá en modo seguimiento.