Control calderas industriales

CONTROL DE CALDERAS

Pedro Manuel Redondo Sobrado

Control de Calderas
Generalidades (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 / Enclavamientos de hornos de proceso
2
Master de Instrumentación y Control

Control de Calderas
Generalidades (II)

Caldera pirotubular

3

Control de Calderas
Generalidades (III)

Caldera paquete
acuotubular

4

Control de Calderas
Generalidades (IV)

Circulación en una
caldera acuotubular

5

Control de Calderas
Calderas Industriales (Instrumentación I)

• Sistemas
– Sistema AGUA-VAPOR.
– Sistema COMBUSTIBLE-AIRE-GASES.
 Sistema de aire-gases.
 Sistema de combustible.

6

7

Control de Calderas
Calderas Industriales (Instrumentación II)

• 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).

8

Control de Calderas
Calderas Industriales (Instrumentación III)

• 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).

9

10

Control de Calderas
Calderas Industriales (Instrumentación IV)

• 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).

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12

Control de Calderas
Calderas Industriales (Instrumentación V)

• Sistema Combustibles
 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.

13

Control de Calderas
Calderas Industriales (Instrumentación VI)

• 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).

14

Control de Calderas
Calderas Industriales (Instrumentación VII)

– 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).

15

Control de Calderas
Introducción (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.

16

Control de Calderas
Introducción (II)

17

Control de Calderas
Introducción (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)

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Control de Calderas
Controles 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.

19

Control de Calderas
Controles 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.

20

Control de Calderas
Controles auxiliares: Temp. de FO (II)

– Lazo de control – PI simple:
• Viscosidad variable - la viscosidad es la
variable primaria y la temperatura la
secundaria.

21

Control de Calderas
Controles 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.

22

Control de Calderas
Controles 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.

23

Control de Calderas
Controles 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).

24

Control de Calderas
Controles 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).

25

Control de Calderas
Control de Nivel / Agua Alimentación (I)

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

26

Control de Calderas
Control 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.

27

Control de Calderas
Control 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.
28

Control de Calderas
Control 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).
29

Control de Calderas
Control 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.

30

Control de Calderas
Control 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.

31

Control de Calderas
Control de Nivel / Agua Alimentación (VII)

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

32

Control de Calderas
Control 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.

33

Control de Calderas
Control 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.

34

Control de Calderas
Control 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%.

35

Control de Calderas
Control 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.

36

Control de Calderas
Control de Nivel / Agua Alimentación (XII)

– Opcionalmente en los esquemas
de control se puede incluir el
caudal de purga.
 Solo cuando dicho caudal sea
relevante.

37

Control de Calderas
Control 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.

38

Control de Calderas
Control de la Temperatura del vapor (I)

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

39

Control de Calderas
Control de la Temperatura del vapor (II)

 Calderas pequeñas.
 Cambios lentos de carga.
 Lazo de control - PI simple.

40

Control de Calderas
Control 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.

41

Control de Calderas
Control 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.

42

Control de Calderas
Control 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:

43

Control de Calderas
Control 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:

44

Control de Calderas
Control 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

45

Control de Calderas
Control 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.

46

Control de Calderas
Control de la Demanda (II)

 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.

47

Control de Calderas
Control de la Demanda (II)

 Variable de proceso puede ser:

2. Caudal de vapor (varias
calderas en un mismo
colector).
3. El operador decide
entre presión o caudal.
 La salida del lazo es la
demanda de carga o de fuego.

48

Control de Calderas
Control de la Demanda (III)

 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.

49

Control de Calderas
Control de la Demanda (III)

 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.
Derivada del caudal
(adecuado para casos
que hay una caída de
presión alta entre
colector y caldera).
50

Control de Calderas
Control 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.

51

Control de Calderas
Control de la Demanda (V)

– Reparto de cargas entre múltiples calderas.
 Reparto manual más regulador de
compensación.

52

Control de Calderas
Control de la Demanda (VI)

– Reparto de cargas entre múltiples
calderas.
 Reparto automático más regulador de
compensación.

53

Control de Calderas
Control de la Demanda (VII)

– Reparto de cargas entre múltiples
calderas.
 Reparto automático en base al coste más
regulador de compensación.

54

Control de Calderas
Control 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.

55

Control de Calderas
Control de la Combustión (II)

• 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.

 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).

56

Control de Calderas
Control de la Combustión (III)

• Control por posicionamiento
en paralelo (PP).

57

Control de Calderas
Control de la Combustión (III)

• Control por posicionamiento
en paralelo (PP).

58

Control de Calderas
Control 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.

59

Control de Calderas
Control de la Combustión (V)

– Control Realimentado.
 Combustible realimentado.

60

Control de Calderas
Control de la Combustión (VI)

Combustible Aire sigue al
sigue al aire Combustible

61

Control de Calderas
Control de la Combustión (VII)

Selectores
cruzados

62

0- 5000 Kg/h 0- 1500 Nm3/h 0- 100 bar 0- 100 Tm/h 0--500ppm 0- 10 % 0- 105000 Nm3/h
FT FT PT FI AT AT FT
02 03 01 01 02 01 04

Ratio Pc FO / PC FG
HX PC
01 01
0. 75 Nm3 FG/ Kg FO
0- 7000 Kg/ h FO 0-500 ppm 0- 10 %
PX AC AC
FX SP
01 02 01
02A
0- 7000 Kg/ h FO

FX FX 0- 7000 Kg/ h FO FX 0- 105000 Nm3/h
01A > < 01B 04A
0- 7000 Kg/ h FO

Ratio Aire / FO
HC
04
15 Nm3 Aire/ Kg FO

0- 7000 Kg/ h FO FX 0- 105000 Nm3/h FC
04B 04

FC 0- 5000 Kg/ h FO FX
0- 7000 Kg/ h FO
02 02B

FC 0- 1500 Nm3/h FX FX
03 03B 053A

0.66
0. 75 Nm3 FG/ Kg FO
HX HC
A
01 02
B
63
Master de Instrumentación y Control Ratio Pc FO/ Pc FG Ratio FG /FO

Control de Calderas
Control 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.

64

Control de Calderas
Control de la Combustión (IX)

– Control del caudal de combustible.
 1 Combustible – PI simple.

65

Control de Calderas
Control de la Combustión (X)

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

66

Control de Calderas
Control de la Combustión (XI)

 2 Combustibles indistintamente pero nunca
de forma simultánea.

67

Control de Calderas
Control de la Combustión (XII)

 2 Combustibles con selección de relación
entre ellos.

68

Control de Calderas
Control de la Combustión (XIII)

entre ellos y compensación.

69

Control de Calderas
Control de la Combustión (XIV)

entre ellos (alternativa).

70

Control de Calderas
Control de la Combustión (XV)

 2 Combustibles uno de ellos
prioritario (por disponibilidad)

71

Control de Calderas
Control de la Combustión (XVI)

72

Control de Calderas
Control de la Combustión (XVII)

– Consideraciones según
número y tipo de
quemadores en
servicio.

73

Control de Calderas
Control de Combustión (XVII)

B: si hay quemadores mixtos y QUEMFG <= QUEMFO 75% 87.5%
A: demás casos 21.88%
+
6.25% 6.25% 18.75% 18.75% 75%
3.2% 3.2% T A > 21.88% Δ X FO/
B FO total
Nº quemadores
FG = 1 ÷ < 56.25%
65.62%
6.25%
3.2%
+
Δ X Nº quemadores
FG = 1 QUEMADORES
% máximo 6.25% EN SERVICIO 3
3.2%
Quemador = 25%
QUEMADORES
+
Δ X
Nº quemadores MIXTOS
FO = 3
18.75%
21.87%

÷ <
Nº quemadores
FO = 3
65.62% 65.62% B
56.25% 56.25% A 56.25%

T 65.62% > 74
Master de Instrumentación y Control B: si hay quemadores mixtos y QUEMFO < QUEMFG
A: demás casos

Control de Calderas
Control 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.

75

Control de Calderas
Control de la Combustión (IXX)

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

76

Control de Calderas
Control 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.

77

Control de Calderas
Control de la Combustión (XXI)

 Control de los registros de aire a
quemadores.
 Función del caudal de aire y del
numero de quemadores en servicio.

78

Control de Calderas
Control de la Combustión (XXII)

79

Control de Calderas
Control de la Combustión (XXIII)

80

Control de Calderas
Control de la Combustión (XXIV)

 Corrección del caudal de
aire por oxígeno.

 Corrección del caudal
de aire por CO.

81

Control de Calderas
Control de la Combustión (XXV)

 Corrección del caudal de
aire por oxígeno y CO2.

82

Control de Calderas
Control de Tiro (I)

• Objetivo:
– Mantener la presión del hogar dentro
de una estrecha banda para
asegurar una combustión
satisfactoria así como una operación
segura.

– 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.
83

Control de Calderas
Control 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.

84

Control de Calderas
Control de Tiro (III)

• Filosofía de Control:
– Control de tiro incluyendo control
contra implosiones.

85

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