Control de calderas industriales

Instrumentación & Control de Calderas industriales
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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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
Y
35
forzado.
750
1000 1275 1375 1500 kgr/hr de combustible
40
47
52
57
60
% abertura damper tiro
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.
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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
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
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.
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3.19
9.597
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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.
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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.
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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
$1100/3.785 kgr = $290.62Kgr
$290.62*762.58kgr/dia = $221621.82/dia
$221621.82 * 360dias = $79783858.78/año
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(3.785 lts/gal)
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EJEMPLO:
CRUDO CASTILLA
25°C
30°C
40°C
60°C
7.200
3.650
1.500
350
Viscosidad, centiPoises
Contenido (%)
Carbono
Hidrógeno
Nitrógeno
Azufre
86.94
10.82
1.44
2.77
13.1
1.0
°API
Punto de Fluidez,°C
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
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Tabla de Entalpías
Gases de Combustión
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 EN LOS GASES DE COMBUSTION
Calor Remanente (%)
Calor Remanente & Temp. Gases Combustión
20
15
Crudo Castilla
LHV 18544 BTU/lb
Relación H/C : 0.124
10
5
0
0
100
200
300
400
Temp. Gases Combustión(°C)
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16
500
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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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