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Instrumentación & Control de Calderas industriales

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CONTROL DE CALDERAS INDUSTRIALES

1. CONTROL DE COMBUSTION

La función primaria del control de combustión es entregar una mezcla de aire y combustible al quemador a una rata que satisfaga los requerimientos de carga de la caldera bajo condiciones seguras y eficientes. Con insuficiente aire, se desperdicia combustible debido a combustión incompleta, además esta mezcla rica puede causar explosiones en puntos calientes. Un exceso de aire también desperdicia combustible, calentando aire que luego sale por la chimenea.

C+O2 = CO2 + 14700 BTU/lb

2H2+O2 = 2H2O + 62000 BTU/lb

S+O2 = SO2 + 4050 BTU/lb



Un sistema típico de control es el conocido como lead-lag o full-metered, cross-limited control donde la presión del cabezal de vapor representa la demanda y actúa como setpoint para los controladores de aire y combustible. Debido a la importancia del master de control, existen varios tipos de configuraciones. El uso de un arreglo sofisticado resulta en una mayor precisión en la señal de control de combustión. Uno de los arreglos utilizados consiste en usar la demanda de vapor como señal anticipatoria antes que cambie la presión.



Full-Metered, Cross-Limited Control

CONTROL DE AJUSTE POR OXIGENO El ajuste por oxígeno trata de maximizar la eficiencia de la operación, mejorando el control de la relación aire/combustible basado en el porcentaje de exceso de oxígeno en los gases de combustión.



Si la mezcla aire/combustible fuera en las proporciones químicamente correctas, los productos teóricos de la combustión serían dióxido de carbono y vapor de agua. Debido a que la mezcla no es perfecta, siempre es necesario agregar un exceso de aire para mantener una combustión óptima. El porcentaje óptimo de oxígeno en los gases de combustión depende del tipo de combustible y varía con la carga, por lo tanto es recomendable que el setpoint del controlador de oxígeno sea función del flujo de vapor. Como sensores de oxígeno son populares los de oxido de zirconio, hay que revisarlos con frecuencia y cambiarlos si no pasan la calibración normal y primaria.

CONTROL DEL AGUA DE ALIMENTACION

El sistema de control de calderas es usualmente multivariable con los lazos de control del agua de alimentación, combustible y aire interactuando sobre todo el sistema. El nivel de la caldera es una de las variables críticas para la operación segura, un bajo nivel expone los tubos a demasiado calentamiento mientras que alto nivel permite el arrastre de gotas de líquido que corroen y dañan los equipos que usan este vapor. Este sistema de control es complicado debido a la respuesta inversa que se presenta en estos sistemas, conocida como shrink and swell. En calderas grandes se utiliza un sistema típico diseñado para cambios de carga rápidos y grandes conocido como feedforward-plus-feedback o control de nivel de tres elementos, donde se miden el flujo de agua, el flujo de vapor y el nivel del drum.



El elemento anticipatorio mantiene el suministro de agua en balance con la demanda de vapor y el control de nivel ajusta el flujo para compensar las perdidas por purgas o errores en la medición de flujo de vapor. La salida del control de flujo puede operar sobre la válvula de control de nivel o sobre el variador de velocidad del motor de la bomba.

CONTROL DE LA PRESION DEL HOGAR Un tipo de control de presión del hogar es el sistema de tiro balanceado (Tiro forzado y tiro inducido). El tiro forzado se usa para regular el aire de combustión y el tiro inducido regula la presión dentro del hogar ligeramente por debajo de la presión atmosférica para prevenir escapes de gases. El control se hace con el control de presión variando la velocidad del motor del ventilador de tiro inducido.



En las calderas con tiro balanceado es recomendable operar bajo un esquema feedforward-plus-feedback para anticipar la acción de control por cambios en el flujo de aire. Furnace(Draft) Pressure Control



CABEZAL DE VAPOR Las calderas generalmente, descargan a un cabezal de un nivel de presión alto que tiene sus propios usuarios, otra parte se degrada a un nivel de presión medio, también con sus propios usuarios y este a su vez puede degradar vapor a un nivel de presión bajo, todos bajo control de respectivos controladores de presión. Por variaciones continuas en el consumo de vapor de los usuarios y tiempos de respuesta de los controladores y actuadores, el sistema puede oscilar continuamente provocando que la salida de vapor de la caldera cambie en tiempos muy cortos.

Single Positioning Control



El elemento que más disturba la operación de un lazo de control es la válvula, especialmente porque con el tiempo tiende a incrementar la histéresis y el desgaste mecánico; el efecto es mayor si la válvula está sobrediseñada Para una combustión segura y eficiente, independiente del tipo de combustible que se queme, se debe hacer una revisión periódica general del sistema de control para determinar y corregir las causas de la inestabilidad, condición que afecta severamente los equipos.

Parallel Positioning Control



EFICIENCIA Y EXCESO DE AIRE

La parte buena del exceso de aire es la seguridad, la parte mala es que desperdicia combustible. La caldera básicamente es un intercambiador de calor diseñado para absorber calor de los productos de la combustión por lo tanto sin importar el exceso de aire suministrado, se absorbe la misma cantidad de calor por hora.



Si se precalienta el aire de combustión, disminuye la formación de Nox. El aire frío facilita la formación de depósitos en la boquilla del quemador. El bloque caracterizador aire/combustible, funciona mediante una curva representada por valores como: X 0 750 1000 1275 1375 1500 kgr/hr de combustible Y 35 40 47 52 57 60 % abertura damper tiro forzado. Estos valores usualmente se determinan llevando la caldera a diferentes cargas y, ajustando los valores de combustible y aire para una combustión segura y eficiente.



Para cumplir con los estándares de la NFPA, se debe iniciar con un mínimo de 25% del aire total. El aire de combustión representa más del 90% de la masa en los productos de combustión y por lo tanto se usa la medición del flujo de gases de combustión para inferir el flujo de aire de combustión utilizando un diferencial de presión a través de los bafles en la corriente de gases. Ejemplo para el caso de una caldera quemando crudo castilla: TABLA DE COMBUSTION

Para el caso de crudo castilla, teóricamente se requieren 13.8 kgr de aire/krg de combustible mas un 30% de exceso de aire (total=17.94 kgrAIRE/kgrHC). La curva de diseño del ventilador de tiro forzado, debe ser capaz de suministrar un volumen por encima del requerido.

Crudo Castilla

Composición Relación O2 O2 requerido Aire requeridoAire teórico H2O formado CO2 formado N2

Kgr/KgrHC Kgr/KgrHC Kgr/KgrHC Kgr/KgrHC Kgr/KgrHC Kgr/KgrHC

C : 0.8694 2.67 2.321 11.459 9.963 3.19 6.652

H2: 0.1082 8 0.865 34.336 3.715 0.978 2.853

S : 0.0277 1 0.027 4.292 0.119 0.091

N : 0.0144 inerte

Total 3.214 13.797 0.978 3.19 9.597



2. CONTROL OPERACIONAL

Si se retrae el difusor, se alejan las llamas de la pared frontal del hogar y se logra mayor turbulencia (mejor atomización) y aire primario para la combustión. El propósito del difusor es producir una ignición estable distribuyendo el aire de combustión como primario y secundario. El aire primario pasa a través de las ranuras del difusor y crea una zona con una buena mezcla que favorece la combustión. Para reducir la velocidad en la boquilla del quemador, se reduce la presión del combustible. Para lograr un menor tamaño de gota del combustible se incrementa la presión de atomización de tal forma que se mantenga un diferencial entre la presión del combustible y el vapor siguiendo las recomendaciones de diseño del fabricante del quemador. El aire de combustión (apertura del damper) se verifica observando los humos de la chimenea, para una carga determinada de combustible.

3. OBSERVACIONES

De acuerdo a las especificaciones de diseño del quemador, la viscosidad se debe ajustar para optimizar la atomización mediante gotas pequeñas que favorezcan la combustión. Observando la composición de los gases de combustión con un equipo apropiado y la observación visual de la apariencia de la chimenea se puede tener una aproximación de una curva práctica eficiente.



El mal estado de la estructura de una caldera favorece las entradas de aire por puntos diferentes al hogar, lo que distorsiona los datos de monitoreo y control. En estos casos se debe inferir los valores mediante cálculos para efecto de análisis. De acuerdo al diseño de las boquillas de los quemadores , estas producen llamas rectas y largas o llamas cortas y en forma de abanico. Para calcular eficiencias solo se requiere medir SO2, CO2, CO , temperatura ambiente y temperatura de los gases de chimenea y tomar estas muestras antes de que los gases de chimenea se diluyan o la temperatura disminuya por entradas de aire exterior. Mantenga los gases a una temperatura por encima del Punto de Rocío del SO2.



EJEMPLO:

COSTOS DE PRECALENTAMIENTO DEL CRUDO CASTILLA Q=mCp(T-t)=m*entalpia Q=1lb(0.6 BTU/lb°F)(212°F-68°F) = 86.4 BTU (Temp.ambiente en carrotanques hasta la temperatura con que llega a la caldera, 20 a 100°C) Q=M lB*(1273.2 BTU/lb-107.89BTU/lb) Entra vapor a 275°C y sale

condensado a 60°C 250PSIa@520°F (17 bar@275°C) 86.4 BTU = M * 1165.31 BTU/lb M=0.07414 lbVapor / lb de crudo (1kgr / 2.204 lb) M=0.07414 krg Vapor / kgr de crudo * 6000 kgr/hr = 444.84 kgrVapor/hr M=10676.16 kgrVapor/dia Relación de producción = 14 kgrVapor/kg de crudo castilla M=10676.16 kgr/14kgr = 762.58kgr de crudo castilla/dia Galón de crudo castilla puesto en Planta $1100.00 (3.785 lts/gal) $1100/3.785 kgr = $290.62Kgr $290.62*762.58kgr/dia = $221621.82/dia $221621.82 * 360dias = $79783858.78/año

mailto:250PSI@200�C



EJEMPLO:

FLUJO DE GASES

15 ton/hr *2204lb/ton = 33060 lb/hr Calor absorbido 33060lb/hr(1201BTU/lb-126BTU/lb) = 35539.5E6 BTU/hr 260PSIa 70°C 35539.5E6/0.80 = 44424.4E6 / 18544 = 2395.6 lb/hr 2395.6lb/hr / 2.2lb/Kgr = 1088.9 kgr/hr de Crudo Castilla Vapor de atomización : 1088.9 * 0.3 = 326.6Kgr Aire teórico : Aire teórico(1+exceso de aire)Flujo de combustible13.79(1+0.3)1088.9kgr = 19520.7Kgr de aire Gases de combustión : Combustible + vapor + aire 1088.9 + 326.6 + 19520.7 = 20936.2 Kgr/hr

CRUDO CASTILLA

25°C 30°C 40°C 60°C Viscosidad, centiPoises

7.200 3.650 1.500 350

Carbono 86.94

Hidrógeno 10.82

Nitrógeno 1.44

Contenido (%)

Azufre 2.77

°API 13.1

Punto de Fluidez,°C 1.0



Tabla de Entalpías

Gases de Combustión

CALOR REMANENTE EN LOS GASES DE COMBUSTION

Crudo Castilla

LHV:18544 BTU/Lb

Componente Kgr/KgrHC Entalpía @150°C Contenido Calórico Entalpía @220°C Contenido Calórico Entalpía @426°C Contenido Calórico

formado formado BTU/Lb BTU/Lb BTU/Lb BTU/Lb BTU/Lb BTU/Lb

CO2 3,19 49 156,3 90 287,1 178 567,8

H2O 0,974 104 101 190 175,3 344 333,7

N2 9,517 61 580,7 100 951,7 187 1780,2

Aire 4,14 59 244,2 50 207 169 699,7

TOTAL 1082,3 1620,7 3381,4

Calor Remanente 5,83% 8,70% 18,23%

Calor Remanente & Temp. Gases Combustión

0

5

10

15

20

0 100 200 300 400 500

Temp. Gases Combustión(°C)

Ca

lor

Re

ma

ne

nte

(%

)

Crudo Castilla

LHV 18544 BTU/lb

Relación H/C : 0.124



BIBLIOGRAFIA:

SIEMES,(5/7/00) Combustión management and solutions,

ROSEMOUNT(1982), Boiler control,

PROCESS CONTROL,(1982) “Modern Boiler Control and why digital systems are better”

PROCESS PLANT UTILITIES, (1981) “Selection guides to boiler instrumentation”:82-88

CARLOS A. SMITH, (1980) , Automatic Process Control.

Gráficos de www.moore.com, www.controlengineering.com, www.blesi-evans.com.

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