INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
“MODELADO Y SIMULACIÓN DE UNA CALDERA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LAZOS DE CONTROL CON PLC”
TRABAJO TERMINAL
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA: AVILA REYNA ALDO PEREZ BRANDT JUAN MANUEL
ASESORES:
ING. HUMBERTO SOTO RAMIREZ
ING. OMAR NAVA RODRIGUEZ
MEXICO, D.F. 2010 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL "'ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
REPORTE TÉCNICO
QUE PARA OBTENER EL TlTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN POR LA OPCiÓN DE TITULAClÓN CURRICULAR
DEBERA(N) DESARROLLAR C. ALDO A VILA REYNA
C. JUAN MANUEL PÉREZ BRANTD
"MODELADO Y SIMULACIÓN DE UNA CALDERA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LAZOS DE CONTROL CON PLC"
LA REALIZACIÓN DEL MODELADO Y SIMULADO DE UNA CALDERA CON AYUDA DE UN SOFfWARE y EL ESTUDIO DE ALGUNAS VARIABLES DE PROCESO CON EL FIN DE ESTUDIAR Y PODER DESARROLLAR LAZOS DE CONTROL CON PLC (CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE)
.:. REALIZAR EL SIMULADOR DINAMICO DE UNA CALDERA EXISTENTE EN LA INDUSTRIA CON LA A YUDA DEL SOFTWARE VISUAL BASIC.
.:. REALIZAR LA VINCULACIÓN ENTRE VISUAL BASIC y ALLEN BRADLEY PARA OPERAR LAZOS DE
CONTROL CON PLC (CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE) .
• :. REALIZAR LA SIMULACIÓN MATEMÁTICA MEDIANTE EL USO DE LA HERRAMIENTA DE MATLAB LLAMADA SIMULlNK.
MÉXICO D. F., A 16 DE AGOSTO DE 2011.
ASESORES
ING.H ING.
ｏｍａｾ
A RODRiGUEZO ESAR
Ingeniería en control y automatización Página II
Índice
Objetivo
Justificación
Planteamiento del problema
Hipótesis
Introducción
Capítulo I.- Marco Teórico
1.1.- Introducción teórica
1.2.- Generalidades
1.2.1.- Caldera de vapor
1.3.- Breve historia de la caldera
1.4.- Tipos de calderas
1.5.- Clasificación de las calderas
1.5.1.- Según su uso
1.5.2.- Según la presión de trabajo
1.5.3.- Según su capacidad
1.5.4.- Según el material de construcción
1.5.5.- Según el tamaño
1.5.6.- Según el contenido de los tubos o diseño
Caldera piro tubular o de tubos de humos
Caldera acuotubular o de tubos de agua
1.5.7.- Según la forma y posición de los tubos
1.5.8.- Según la fuente de energía
1.5.9.- Según la clase de combustible
1.5.10.- Según el fluido utilizado
1.5.11.- Según el sistema de circulación
1.5.12.- Según la posición del hogar
1.5.13.- Según el tipo de hogar
1.5.14.- Según su forma general
1.5.15.- Según el nombre o marca registrada del fabricante
1.5.16.- Según el tiro de los gases
1.5.17.- Según el modo de gobernar la operación
1.5.18.- Según propiedades especiales
1.5.19.- Según su volumen
1.6.- Partes principales que componen una caldera
1.6.1.- Accesorios
Accesorios de observación
Accesorios analizadores de gases de la combustión
Accesorios indicadores de temperatura
Accesorios de seguridad
Accesorios de alimentación de agua
Accesorios de limpieza
Accesorios de aumento de eficiencia
Accesorios de control automático
1.6.2.- Descripción de los accesorios
Ingeniería en control y automatización Página III
Accesorios de observación
Accesorios de seguridad
Accesorios de alimentación de agua
Accesorios de limpieza
Accesorios de control
1.7.- Control e instrumentación de la caldera
1.7.1.- Control de combustión
Caudal fuel – caudal aire en serie
Presión vapor – caudal fuel en serie / caudal aire en serie
Caudal aire – caudal fuel en serie
Caudal aire – caudal fuel en paralelo
1.7.2.- Control de nivel
Método que se utilizan para el control de nivel del agua
Control on / off
Control modulante
Utilización de controles y alarmas de agua en una caldera
1.7.3.- Control de presión
Capítulo II.- Descripción De La Caldera Piro Tubular
2.1.- Selección de la caldera
2.1.1.- Equipamiento
2.1.2.- Ventajas de la caldera UL - S
2.1.3.- Mejoras de la caldera UL - S
2.1.4.- Características de la caldera UL - S
2.1.5.- Dimensiones de la caldera UL - S
2.1.6.- Aplicaciones de la caldera UL - S
2.1.7.- Fallas posible en la caldera
2.2.- Control propuesto para la caldera
2.3.- Elementos de control que utiliza la caldera
Capítulo III.- Desarrollo De Ingeniería
3.1.- Selección del software y desarrollo de la simulación
3.2.- Desarrollo de algoritmos
3.2.1.- Ventana principal
Algoritmo de ventana principal
Diagrama de flujo de ventana principal
3.2.2.- Ventana menú
Algoritmo ventana menú
Diagrama de flujo ventana menú
3.2.3.- Ventana de simulación dinámica
Algoritmo de ventana de simulación dinámica
Algoritmo modo manual
Diagrama de flujo modo manual
Algoritmo modo automático
Diagrama de flujo modo automático
Subrutina de reloj de envío y recibo de datos
3.3.- Código y propiedades utilizadas en Visual Basic
3.3.1.- Características de los elementos de Visual Basic utilizados en el
Ingeniería en control y automatización Página IV simulador
Etiquetas (Label)
Imágenes (Images)
Relojes (Timer)
Botones (CommandButton)
Checkbox (Checkbox)
Caja de texto (TextBox)
Figuras (Shape)
3.3.2.- Código utilizado para la comunicación
3.4.- Construcción del simulador
3.4.1.- Flowmeter
3.4.2.- Bomba
3.4.3.- Sensores
3.4.4.- Tanque
3.4.5.- Quemador
3.4.6.- Llenado de agua
3.4.7.- Accidente agua y fuego
3.4.8.- Vaciado de agua
3.5- Ventana cálculos extras
3.6.- Implementación de lazos de control con PLC
3.6.1.- Configuración para la comunicación
3.6.2.- Control de nivel
Control on / off
3.6.3.- Control de temperatura
3.6.4.- Control propuesto de la caldera
3.7.- Modelado de una caldera a partir de la implementación de lazos de control
3.7.1.- Modelado a bloques de una caldera a partir de la implementación de lazos de control
Obtención del modelo a bloques de la caldera
Capítulo IV.- Estudio de Costos
4.1.- Estudio de costos
4.1.1.- Actividades desarrolladas y tiempo empleado
4.2.- Recursos utilizados
4.3.- Desarrollo de ingeniería
4.4.- Monto por actividad
4.5.- Estudio financiero
Ingeniería en control y automatización Página V
Índice de figuras
Figura 1.1 Caldera tipo piro tubular Figura 1.2 Caldera tipo acuotubular Figura 1.3 Partes de una caldera Figura 1.4 Puerta del hogar
Figura1.5 Lazo de control caudal fuel – caudal aire en serie
Figura 1.6 Lazo de control presión de vapor – caudal fuel en serie / caudal aire en serie
Figura 1.7 Lazo de control caudal aire – caudal fuel en serie Figura 1.8 Lazo de control caudal aire – caudal fuel en paralelo Figura 1.9 Lazo de control de nivel de acuerdo a la salida Figura 1.10 Lazo de control de nivel con electro niveles Figura 1.11 Lazo de control de nivel con flotador
Figura 1.12 Lazo de control de nivel con respecto a flujo en la salida Figura 1.13 Lazo de control de nivel con realimentación y relé comparador
Figura 2.1 Caldera piro tubular modelo UL – S / UL – SX
Figura 2.2 Componentes de una caldera piro tubular modelo UL – S / UL – SX
Figura 2.3 Componentes de una caldera piro tubular modelo UL – S / UL – SX
Figura 2.4 Tuberías internas en la caldera
Figura 2.5 Caldera descrita en su forma de operación Figura 2.6 Lazo de control de temperatura propuesto Figura 2.7 Lazo de control de presión propuesto Figura 2.8 Sistema de control descrito por los lazos Figura 2.9 Sensor de electro nivel
Figura 2.10 Quemador
Figura 2.11 Funcionamiento del quemador
Figura 3.1 Visual Basic 6.0 Figura 3.2 MatLab 7.0
Figura 3.3 Ventana de inicio del simulador
Figura 3.4 Diagrama de flujo de la ventana principal Figura 3.5 Ventana menú para selección de aplicación Figura 3.6 Diagrama de flujo menú
Figura 3.7 Simulador en Visual Basic Figura 3.8 Diagrama de flujo modo manual Figura 3.9 Diagrama de flujo modo automático
Figura 3.10 Diagrama de flujo subrutina envío y recibo de datos Figura 3.11 Flowmeter
Figura 3.12 Tubería Figura 3.13 Bomba Figura 3.14 Sensores Figura 3.15 Tanque Figura 3.16 Quemador
Ingeniería en control y automatización Página VI
Figura 3.17 Llenado de agua
Figura 3.18 Accidentes de agua y fuego
Figura 3.19 Formula de capacidad de producción de vapor en las calderas
Figura 3.20 Ventana cálculos extra con la pestaña de capacidad de producción, activa
Figura 3.21 Ventana cálculos extra con los cálculos realizados Figura 3.22 Ventana cálculos extra, errores posibles
Figura 3.23 Ventana cálculos extra
Figura 3.24 Ventana cálculos extra con los valores correspondientes al problema
Figura 3.25 Ventana del software RsLinx
Figura 3.26 Configuración del software RsLinx Figura 3.27 Configuración del driver
Figura 3.28 Elección de una estación Figura 3.29 Ventana del software RsLinx Figura 3.30 Configuración del tópico Figura 3.31 Nombre del tópico
Figura 3.32 Ventana simulador dinámico Figura 3.33 Ventana del software RsLogix 500 Figura 3.34 Ventana para guardar los archivos
Figura 3.35 Ventana del software RsLogix 500 Emúlate Figura 3.36 Selección de la estación
Figura 3.37 Ventana del software RsLogix 500 Emúlate
Figura 3.38 Programa del PLC (Controlador Lógico Programable) Figura 3.39 Programa y simulación en operación
Figura 3.40 Programa del PLC (Controlador Lógico Programable) Figura 3.41 Simulador en operación
Figura 3.42 DTI (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) propuesto Figura 3.43 Línea 0000 del programa hecho en RsLogix 500
Figura 3.44 Línea 0001 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.45 Lámpara verde encendida en el tablero del simulador Figura 3.46 Línea 0002 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.47 Lámpara roja encendida en el tablero del simulador Figura 3.48 Línea 00003 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.49 Control de nivel en marcha en el simulador Figura 3.50 Linera 0004 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.51 Control de temperatura en marcha en el simulador Figura 3.52 Línea 0005 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.53 Alarma de presión alta en marcha en el simulador Figura 3.54 Línea 0006 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.55 Conteo de litros en el simulador
Figura 3.56 Variables no utilizadas en RsLogix 500
Figura 3.57 Modelado en MatLab del lazo de control de nivel Figura 3.58 Señal de ajuste de los sensores
Figura 3.59 Ecuación del sensor
Figura 3.60 Gráfica de operación de los rangos del sensor de nivel Figura 3.61 Variador de nivel del tanque
Figura 3.62 Controlador On – Off
Figura 3.63 Función de transferencia del elemento final y de la planta
Ingeniería en control y automatización Página VII
Figura 3.64 Gráfica de la señal de respuesta de nivel Figura 3.65 Modelo MatLab de lazo de presión
Figura 3.66 Gráfica de operación de los rangos de la válvula para presión
Figura 3.67 Gráfica de operación de los rangos de sensor de presión Figura 3.68 Planta en lazo abierto
Figura 3.69 Retroalimentación mediante sensor de presión Figura 3.70 Gráfica de señal de respuesta de presión Figura 3.71 Modelo en MatLab del lazo de temperatura Figura 3.72 Señal de ajuste a 235 ºC
Figura 3.73 Gráfica de operación de los rangos de la válvula o elemento final
Figura 3.74 Gráfica de operación de los rangos de sensor de temperatura
Figura 3.75 Lazo cerrado del sistema
Figura 3.76 Gráfica de señal de respuesta de temperatura
Figura 4.1 Actividades desempeñadas en el simulador Figura 4.2 Actividades desempeñadas en el modelado
99 100 100 101 102 102 103 103 104 104 105 106 106 109 110
Índice de tablas
Tabla 1.1 Control de agua de alimentación de acuerdo a la capacidad del tanque
Tabla 2.1 Características de la caldera piro tubular modelo UL – S / UL – SX
Tabla 2.2 Dimensiones de la caldera piro tubular modelo UL – S / UL – SX
Tabla 2.3 Daños frecuentes en un caldera
Tabla 3.1 Propiedades de las etiquetas (Label) Tabla 3.2 Propiedades de las imágenes (Images) Tabla 3.3 Propiedades de los relojes (Timer)
Tabla 3.4 Propiedades de los botones (CommandButton) Tabla 3.5 Propiedades de los checkBox (CheckBox) Tabla 3.6 Propiedades de las cajas de texto (TextBox) Tabla 3.7 Propiedades de las figuras (Shape)
Tabla 4.1 Recursos utilizados en el proyecto
Tabla 4.2 Actividades desarrolladas en el simulador Tabla 4.3 Actividades desarrolladas en el modelado Tabla 4.4 Suma total de recursos
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OBJETIVO
La realización del modelado y simulación de una caldera con ayuda de un software y el estudio de algunas de las variables de proceso con el fin de estudiar y poder desarrollar lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable).
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar el simulador dinámico de una caldera existente en la industria con la ayuda de software Visual Basic.
Realizar la vinculación entre Visual Basic y Allen Bradley para operar lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable).
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JUSTIFICACIÓN
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
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HIPÓTESIS
Ingeniería en control y automatización Página XII
INTRODUCCIÓN
Hoy en día la utilización de calderas ha crecido conforme ha evolucionado el entorno industrial y el empleo de nuevas técnicas para el control de procesos, de esta manera la implementación de una caldera depende directamente del tipo de proceso, sin embargo, las calderas son eficientes y de una rápida respuesta con lo cual se garantiza un mejor desempeño en la realización de funciones u operaciones que el proceso demande. El uso de las calderas puede ser a nivel residencial, comercial e industrial esta última toma en cuenta los tramos alimenticios, químicos, automotrices, producción de energía eléctrica entre otros. En consecuencia a ello, el uso de calderas puede generar riesgos y esto depende en gran medida de las dimensiones con las cuales pueda contar la misma, ya que el control de las variables que interviene en el desarrollo del proceso se puede ver afectado y esto puede generar perdidas o accidentes irreparables.
Por lo tanto, la realización de un sistema de control permite un funcionamiento eficaz de la caldera, de sus variables y del desarrollo del proceso en el cual este interviniendo la misma. Con ello, se desea crear un simulador el cual ayudará a observar el comportamiento dinámico de una caldera en el cual se podrá desarrollar lazos de control y de igual manera contar con un modelo matemático el cual permite comprender y conocer la operación del mismo; de tal manera que sea más eficiente su funcionamiento, y así evitar riesgos.
El proyecto tiene por objeto el uso de software como base para la realización de un simulador que permita desarrollar un concepto el cual se enfoque al principio de operación de una caldera y el control de sus variables de proceso y por último la realización de lazos de control los cuales aseguren un buen funcionamiento del proceso. Es por ello y de vital importancia remarcar que en este proyecto se realizo una idea que pudiera simular de forma básica las características de una caldera, con el fin de comprender de forma práctica su operación.
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CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO
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1.1.- Introducción teórica
Las calderas existen desde hace más de doscientos años, siendo tan confiables que la mayoría de la gente no les da mucha importancia, las podemos ver en casi cualquier lugar del mundo, transfiriendo calor del combustible al agua para calentar edificios o permitir procesos.
Las calderas son simples eficientes y fiables. Ningún equipo las supera transfiriendo calor de un lugar a otro, se han utilizado para la calefacción desde antes de la guerra civil de los estados unidos, en 1861, incluso antes de esta guerra, ya las calderas se usaban en procesos industriales.
Actualmente se utilizan en fabricas, planchadoras de ropa, lavaplatos, pasteurización de leche, esterilización de equipos médicos y hasta para calentar ciudades enteras, como se podrá observar sus capacidades parecen no tener fin.
Sin embargo y a pesar de sus simplicidad una caldera de vapor puede representar un problema si el sistema de control no actúa correctamente, si la energía entregada a la caldera excede lo que ella puede absorber, se puede producir una rotura.
Una simple válvula de seguridad de la capacidad adecuada, que proporcione alivio a la presión, protege la caldera contra una presión excesiva. Pero la sobre presión no es lo único que puede amenazar a una caldera si no también el nivel de agua, si cae demasiado, la caldera se puede quemar, y es por eso que también se debe estar siempre en guardia, sin un nivel de agua no es correcto el calor se acumula rápidamente y es por eso que necesita agua para refrescar las superficies de metal y ese calor excesivo no crea una condición de funcionamiento muy peligrosa
Tradicionalmente al desarrollar el control de una caldera, las acciones de modulación de la misma se desarrollaban con equipos analógicos. Las secuencias de arranque y parada, así como los enclavamientos, son acciones digitales que implican equipos digitales. Actualmente debido a los avances en los sistemas basados en microprocesador es posible integrar estos dos sistemas en uno solo, aunque se siguen manteniendo algunos condicionantes en lo que se refiere a los equipos dedicados a la seguridad de la caldera.
Para desarrollar una aplicación de control adecuadamente es necesario entender correctamente los objetivos del sistema de control, en las calderas de vapor, existen tres objetivos básicos:
1.- Hacer que la caldera proporcione un suministro continuo de vapor en las condiciones de presión y temperatura deseadas.
2.- Operar continuamente la caldera al menor coste de combustible manteniendo un alto nivel de seguridad.
Ingeniería en control y automatización Página 4 Los dos primeros objetivos serán realizados por lo que tradicionalmente se conoce como sistema de control analógico, mientras que el tercero será labor del sistema de seguridad.
Una caldera de vapor es una unidad de proceso de gran importancia en todo tipo de industrias. En general en una industria, el vapor se utiliza como: medio de calefacción directa o indirecta, materia prima, medio de obtención de energía eléctrica en procesos de cogeneración.
Controlar de forma eficaz las condiciones de operación de una caldera es una necesidad obvia si se tiene en cuenta que las condiciones de trabajo (presiones y temperaturas elevadas) constituyen la causa principal de peligros por riesgo de explosiones. También debe tenerse en cuenta el aspecto económico, considerando no solo los costes de construcción, si no también los elevados costes de operación (grandes cantidades de combustibles quemados) y de mantenimiento relacionados con las condiciones de operación.
Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado.
Por ello, podemos observar que el concepto general de una caldera engloba muchos otros conceptos los cuales al momento que esta operando llegan a surgir y forman parte del mismo.
1.2.- Generalidades
Una caldera es un recipiente metálico o dispositivo en el cual se calienta agua o genera vapor de agua, el cual utilizarán para diferentes aplicaciones, en otras palabras son intercambiadores de calor, que transforma la energía química del combustible en energía calorífica, además de intercambiar este calor con un fluido generalmente agua, que se transforma en vapor de agua.
En una caldera se produce la combustión que es la liberación del calor del combustible y la captación del calor liberado por el fluido. Una caldera es a menudo el equipo más grande que se encuentra en un circuito de vapor. Su tamaño puede depender de la aplicación en la que se usa. En una instalación grande, donde existen cargas de vapor variables, pueden usarse varias calderas.
Estas calderas se fabrican para todo tipo de combustibles: solidó (carbón o leña) líquidos (gasóleo) y gaseosos (propano, gas natural).
Ingeniería en control y automatización Página 5 La caldera ideal debe poseer:
Simplicidad en la construcción, excelente ejecución y materiales con buena conductividad.
Diseño y construcción para ajustarse a la expansión y contracción propia de los materiales.
Adecuado espacio para el agua, para el vapor, para la liberación del vapor limpio, y una buena circulación de agua.
Fácil acceso para limpieza y reparación.
Factores de seguridad que garanticen el perfecto desempeño del equipo.
1.2.1.- Caldera de vapor
Se conoce como caldera de vapor a aquella unidad en la cual se puede cambiar el estado del fluido de trabajo (agua) de líquido a vapor de agua, en un proceso a presión constante y controlada, mediante la transferencia de calor de un combustible que es quemado en una cámara conocida como "hogar". En algunos casos se puede llevar hasta un estado de vapor sobrecalentado, todo esto para una aplicación en la industria.
1.3.- Breve historia de la caldera
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776. La producción de calor fue uno de los primeros pasos del hombre en el campo de la técnica; se utilizó en forma relativamente rudimentaria hasta fechas muy recientes. Fue la utilización del vapor como fuerza motriz lo que hizo posible la revolución industrial del siglo XVIII y el desarrollo del generador de vapor de gran potencia, ha hecho surgir la era de electrificación del siglo XX. Las fábricas modernas, los grandes edificios y el confort en los hogares, son únicamente posibles gracias a la electricidad, el vapor destinado a procesos industriales y a las plantas de calefacción central.
Ingeniería en control y automatización Página 6 Luego de otras experiencias, James Watt completo una máquina de vapor de funcionamiento continuo que uso en su propia fabrica, ya que era un industrial ingles muy conocido. Las primeras calderas tenían el inconveniente que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se aprovechaba mal el calor del combustible. Debido a esto y posteriormente se le introdujeron tubos, para aumentar la superficie de calefacción. Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Para medir la potencia de la caldera y como dato curioso, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras – pie / min o sea 550 libras – pie/seg., valor que denomino Horse Power, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76kgm/seg. Pero la oficina internacional de peso y medidas de Paris, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar llamándolo “caballo de vapor” en homenaje a Watt.
1.4.- Tipos de caldera
Conforme ha transcurrido el tiempo se han hecho una serie de calderas diferentes a las cuales les ponen diferentes nombres de acuerdo a la aplicación para la que se va utilizar por ejemplo:
Caldera de agua caliente: Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110°.
Caldera de agua sobrecalentada: Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110°.
Calderas de nivel definido: Son aquéllas calderas que disponen de un determinado plano de separación de las fases líquida y vapor, dentro de unos límites previamente establecidos.
Calderas sin nivel definido: Son aquéllas calderas en las que no haya un plano determinado de separación entre las fases líquida y vapor.
Calderas automáticas: Son aquellas calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo en su puesta inicial en servicio o en caso de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación calorífica. Asimismo se considerarán como automáticas las calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de una acción manual, salvo para cada puesta en marcha de su sistema de aportación calorífica después de que éste haya sufrido un paro ocasionado por la acción de alguno de sus órganos de seguridad o de regulación.
Calderas manuales: Se considerará como manual cualquier caldera cuyo funcionamiento difiera del de las anteriormente definidas como automáticas.
Ingeniería en control y automatización Página 7
1.5.- Clasificación de las calderas
Las calderas pueden ser clasificadas basándose en distintos puntos de vista independientes entre si, de forma que uno no excluya el otro. Así los factores a considerar para clasificarlas pueden ser los siguientes:
1.5.1.- Según su uso
Calderas de acuerdo a su uso, existen móviles y fijas las móviles son locomotoras, buques, portátiles, las fijas son industriales, domiciliarias, comerciales. [15].
1.5.2.- Según la presión de trabajo
Según su presión de trabajo las clasificamos en baja, mediana, alta presión y súper críticas dependiendo las presiones de trabajo las cuales son:
Calderas de baja presión 0 de 450 psig Calderas de mediana presión 450 a 950 psig Calderas de alta presión > 950 psig [15].
1.5.3.- Según su capacidad
Según su capacidad se clasificaran por medio de categorías las cuales son:
Categoría A: Aquellas que generan más de 7500 Kg. /h de vapor o que tenga una superficie de calefacción mayor a los 200 m2.
Categoría B: Las que generan más de 2000 Kg. /h de vapor o tengan más que 60 m2 de superficie de calefacción.
Categoría C: Cuando una caldera genere más de 70 Kg. /h de vapor y su superficie de calefacción sea superior a los 2m2.
Categoría D: Las calderas que generen menos de 70 Kg. /h y tengan menos de 2m2 de superficie de calefacción. [15].
1.5.4.- Según el material de construcción
Según el material de construcción del recipiente o los tubos, pueden ser de cobre, bronce, hierro, acero común, acero inoxidable, aceros especiales o aleaciones especiales. Lo más frecuente es utilizar para calderas pequeñas, acero común o aceros reforzados especiales para presiones y capacidades mayores. [15].
1.5.5.- Según el tamaño
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1.5.6.- Según el contenido de los tubos o diseño
En esta clasificación se definen dos tipos de calderas y las que serán más utilizadas dependiendo de las necesidades del proceso, estas dos clasificaciones son la caldera piro tubular y la caldera acuotubular será llamada así dependiendo como circule por el interior de los tubos los gases de combustión o el agua de vapor, en la actualidad esta clasificación es una de las más utilizadas.
Caldera piro tubular o de tubos de humos
En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados de agua como se muestra en la figura 1.1. La caldera piro tubular generalmente tienen un hogar integral (denominado caja de fuego) limitado por superficies enfriadas por agua. Esta caldera también es llamada humo tubular y manejan presiones de operación de 0-300 psig., su principal uso de estas calderas es para:
Instalaciones de calefacción a baja presión Producir vapor a presión relativamente baja Producción de energía
Ventajas:
Figura 1.1 Caldera tipo piro tubular
Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño. Mayor flexibilidad de operación.
Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación. Son pequeñas y eficientes.
Inconvenientes:
Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. No son utilizables para altas presiones. [15].
Calderas acuotubular o de tubos de agua
Ingeniería en control y automatización Página 9 Figura 1.2 caldera tipo acuotubular
Ventajas:
La caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones
Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2000 HP.
La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad. El tiempo de arranque para la producción de vapor a la presión de trabajo
no excede los 20 minutos.
Pueden ser puestas en marcha rápidamente.
Puede obtenerse mayor capacidad aumentando el número de tubos, independientemente del diámetro del calderín de vapor.
La mayor ventaja es la libertad de incrementar las capacidades y presiones.
Este tipo de caldera facilitan el montaje de la misma, da mayor calidad en fabricación y es más económico.
Por su fabricación de tubos de agua es una caldera la cual no podrá explotar.
Inconvenientes:
Mayor tamaño y peso, mayor costo.
Debe ser alimentada con agua de gran pureza.
Son usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. Es posible encontrar también, para bajas capacidades, calderas con tubos de humo y tubos de agua, denominadas Calderas Mixtas. [15].
1.5.7.- Según la forma y posición de los tubos
Según la forma de los tubos pueden ser de tubos rectos o tubos curvos según su posición preponderante pueden ser calderas de tubos horizontales o verticales o con la probabilidad de que puedan estar inclinados. [15].
1.5.8.- Según la fuente de energía
Según la fuente de energía o aporte de calor pueden tratarse de calderas de combustibles, calderas de radiación o convección, etc. [15].
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1.5.9.- Según la clase de combustible
Según el tipo de combustible pueden ser calderas de combustión de carbón de líquidos, de gases, calderas de combustible nuclear de combustibles especiales como bagazo o licores, calderas de recuperación de calor de gases y calderas mixtas, cuando se combinan algunos de los anteriores.
Sólidos: En este tipo son un poco engorrosas de operar por la alimentación, las cenizas y suciedad que generan y el difícil control de la combustión.
Líquidos: El combustible debe ser pulverizado o vaporizado para que reaccione con el aire.
Gaseosos: De combustión más fácil pero más peligrosa que los líquidos. [15].
1.5.10.- Según el fluido utilizado
Según el fluido utilizado pueden ser vapor de agua, de dowtherm, o mezcla de aceites, de mercurio, etc. [15].
1.5.11.- Según el sistema de circulación
Según la circulación de los fluidos entre si, pueden ser en paralelo o contracorriente de un paso, de dos o varios pasos combinando circulación en paralelo y en contra corriente. [15].
1.5.12.- Según la posición del hogar
Según la posición del hogar se clasifica en hogar externo o interno, refiriéndose a la posición del fuego respecto al volumen encerrado por la cámara de agua. [15].
1.5.13.- Según el tipo de hogar
Según el tipo del hogar puede ser de parrilla, fija, parrilla móvil o mecanizada, de quemador de finos, o quemador de líquidos y gases. [15].
1.5.14.- Según su forma general
Según su forma general son del tipo cilíndricas o de tubos, y estas con o sin domo, con uno o varios domos, que a su vez pueden ser secos, húmedos o inundados, pueden ser escocesa de retorno de llama, etc. [15].
1.5.15.- Según el nombre o marca registrada del fabricante
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1.5.16.- Según el tiro de los gases
Según el tiro de los gases pueden ser de tiro natural, inducido, forzado o balanceado. [15].
1.5.17.- Según el modo de gobernar la operación
Según el modo de gobernar o controlar la operación de las mismas pueden ser manuales automáticas o semi automatizadas. [15].
1.5.18.- Según propiedades especiales
También pueden ser clasificadas por criterios particulares o especiales no detallados, tales como la instrumentación empleada, aislantes empleados, nivel de agua etc. [15].
1.5.19.- Según su volumen
Con respecto al volumen de agua que contienen en relación con su superficie de calefacción:
De gran volumen de agua (más de 150 litros) Por metro cuadrado de superficie de calefacción SC.
De mediano volumen de agua. (entre 70 y 150 lts. por m2 de SC) De pequeño volumen de agua. (menos de 70 lts. por m2 de SC)
Todas las calderas pueden clasificarse según las características mencionadas anteriormente. Cada fabricante ha tomado o seleccionado algunos de estos aspectos, creando tipos de calderas que se han llegado a popularizar en el ambiente industrial.
Actualmente en nuestro país el 81% de las empresas de procesos utilizan generadores de vapor para satisfacer los requerimientos de los procesos que desarrollan, de las cuales el 67% utilizan equipos de tipo piro tubular y el 33% restante utilizan de tipo acuotubular. [15].
1.6.- Partes principales que componen una caldera.
Ingeniería en control y automatización Página 12 Figura 1.3 Partes de una caldera
Hogar o fogón: Es el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de cámara de combustión.
Los hogares se pueden clasificar en:
Según su ubicación:
Hogar exterior Hogar interior
Según el tipo de combustible:
Hogar para combustibles sólidos
Hogar para combustibles líquidos y gaseosos
Según su construcción.
Hogar liso
Hogar corrugado
Esta clasificación rige solamente cuando el hogar de la caldera lo compone uno o más tubos a los cuales se les dan el nombre de Tubo Hogar.
Puerta hogar: Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se alimenta de combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control de fuego como se muestra en la figura 1.4. En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador. [13].
Ingeniería en control y automatización Página 13 Figura 1.4 Puerta del hogar
Emparrillado: Son piezas metálicas en formas de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del hogar y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del aire primario que sirve para que se produzca la combustión. Las parrillas deben adaptarse al combustible y cumplir los siguientes requisitos:
Deben permitir convenientemente el paso del aire Deben permitir que caigan las cenizas
Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez
Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no se quemen o deformen
Deben ser durables
Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase agua para refrigerarlas y evitar recalentamientos. Hay varios tipos de parrillas las cuales se pueden clasificar de la siguiente manera. [13].
Según su instalación:
Fijas o estacionarias: Son aquellas que no se mueven durante el trabajo
Móviles o rotativas: Son aquellas que van girando o avanzando mientras se quema el combustible.
Según su posición
Horizontales Inclinadas Escalonadas
Cenicero: Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión. En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua. [13].
Puerta del cenicero: Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogar. [13].
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Altar: Es un pequeño muro de ladrillo refractario, ubicado en el hogar, en el extremo opuesto a la puerta del hogar y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm. Los objetivos del altar son:
Impedir que al avivar, cargar o atizar los fuegos tiren partículas de combustibles o escoria al primer tiro de los gases.
El altar forma también el cierre interior del cenicero.
Imprimir a la corriente de aire de la combustión una distribución lo más uniforme posible y una dirección ascensional vertical en todo el largo y ancho de las parrillas.
Restringir la sección de salida de los gases calientes aumentando su velocidad, lo cual facilita su mezcla y contacto íntimo con el aire, haciendo así que la combustión sea más completa. [13].
Conductos de humos: Es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos y los gases calientes que se han producido en la combustión, en estos conductos se realiza la transmisión de calor al agua que contiene la caldera. [13].
Caja de humo: Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea. [13].
Chimenea: Es el conducto de salida de los gases y humos de la combustión hacia la atmósfera, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios o molestias a la comunidad. Además, tiene como función producir el tiraje necesario para obtener una adecuada combustión, esto es, haciendo pasar el aire necesario y suficiente para quemar el combustible, en caldera que usan combustibles sólidos. [13].
Tapas de registro o puertas de inspección: Son aperturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos dependiendo de su tamaño:
Las puertas de hombres Las tapas de registro [13].
Puertas de hombres: Como su nombre lo indica, estas puertas tienen el tamaño suficiente para permitir el paso de un hombre para inspeccionar interiormente la caldera y limpiarla. [13].
Tapas de registro: Todas las calderas tienen convenientemente distribuidas cierto número de tapas que tienen por objeto inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o lavarlas, si es necesario extraer en forma mecánica o manual, los lodos que se hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas. [13].
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Cámara de agua: Es el volumen de la caldera que esta ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo. [13].
Cámara de vapor: Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. [13].
Cámara de alimentación de agua: Es el espacio comprendido entre los niveles máximos y mínimos de agua. Durante el funcionamiento de la caldera se encuentra ocupado por agua y/o vapor, según sea donde se encuentre el nivel de agua. [13].
1.6.1.- Accesorios
Se define como accesorios aquellos elementos útiles o necesarios con que se equipan las calderas para facilitar el trabajo del operador; asegurar un buen funcionamiento del sistema y contribuir a la seguridad de la instalación.
A veces una caldera necesita de algunos accesorios para tener un mejor funcionamientos, los accesorios más comúnmente usados en las calderas son los manómetros, nivel de agua, regulador de agua de alimentación, válvulas de seguridad, tapones, fusibles, purgadores, sopladores de hollín, indicadores de tiro y aparatos de control.
Es importante que también cada uno de estos accesorios deben de ir instalados correctamente y en un lugar específico de la caldera como por ejemplo los niveles de agua se montan en la parte frontal del cuerpo cilíndrico de la caldera, de forma que se puedan ver desde el suelo, también un accesorio se define como aquellos elementos útiles o necesarios con que se equipan las calderas para facilitar el trabajo del operador, asegurar un buen funcionamiento del sistema y contribuir a la seguridad de la instalación.
Se clasifican en:
Accesorios de observación
Indicadores de nivel de agua Tubo de nivel
Grifos o llave de prueba Indicadores de presión Altímetros
Manómetros
Accesorios analizadores de gases de la combustión
Indicadores de CO2 (Oxido de carbono)
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Accesorios indicadores de temperaturas
Termómetro Pirómetros
Accesorios de seguridad
Válvula de seguridad Silbatos de alarma Tapones fusibles
Accesorios de alimentación de agua
Bombas centrífugas Bombas manuales Bombas de embolo
Accesorios de limpieza
Puertas de inspección
Válvulas de extracción de fondo Sopladores de hollín
Accesorios de aumento de eficiencia
Economizadores
Calentadores de aire Retardador
Accesorios de control automático
Control de presión presostato Control de temperatura termostato Control de nivel de agua
Control de aire Control de la llama Control de encendido
1.6.2.- Descripción de los accesorios
Accesorios de observación:
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Indicadores de presión: Toda caldera deberá estar provista de uno o más manómetros, que se conectarán a la cámara de vapor de la caldera mediante un tubo que forme un sello de agua. [16].
Analizadores de gases: Son aparatos que sirven para controlar la calidad de la combustión dentro del hogar, a través del análisis de los gases que salen por la chimenea. [16].
Indicadores de temperatura: Son instrumentos destinados a medir la temperatura, ya sea del agua de alimentación, del vapor, de los gases de la combustión del petróleo, etc. [16].
Accesorios de seguridad:
Válvulas de seguridad: Tiene por objeto dar salida al vapor de la caldera cuando ésta sobrepasa a la presión máxima de trabajo. [16].
Tapón fusible: El tapón fusible, es un elemento que permite el paso de vapor y agua hacia el hogar, cuando el nivel de agua en la caldera baja más allá del mínimo permitido. [16].
Alarmas: Toda caldera dispondrá de un sistema de alarma, acústica o visual, que funcione cuando el nivel de agua alcance el mínimo o el máximo, deteniendo a la vez, el funcionamiento del sistema de combustión, cuando se alcance el nivel mínimo de agua. [16].
Accesorios de alimentación de agua:
Bombas: Este accesorio al igual que el inyector, nos permite reponer él agua que se ha vaporizado en el interior de la caldera. Entre éstas, tenemos las Bombas Centrífugas y las de émbolo. [16].
Inyectores: Los inyectores, son dispositivos que funcionan con el mismo vapor que produce la caldera y son capaces de descargar agua a una presión mayor que la presión interna de la caldera. [16].
Accesorios de limpieza
Puertas de inspección: Según sus dimensiones se llaman puertas de hombre o tapas de registro. Éstas últimas sólo permiten el paso de un brazo. Ambas puertas sirven para efectuar limpiezas o inspecciones en el interior de los colectores principales o de los tubos según sea su ubicación. [16].
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Accesorios de control
Retardadores: Consisten en una plancha lisa, del mismo ancho que el diámetro interior del tubo, torcida en forma de hélice, la que se mete en el tubo de caldera. Los gases calientes tienen ahora que recorrer un camino mayor, siendo más lento el paso de ellos por el interior de los tubos y entregando mayor cantidad de calor al agua. La eficiencia de la caldera se aumenta entre un 2 % y 8 % con el uso de retardadores. [16].
Presostatos: Son accesorios que funcionan sobre la base de la máxima y mínima presión de trabajo de la caldera. Actúan sobre el quemador, apagándolo al llegar a la máxima presión para lo cual fue regulado y encendiéndolo al alcanzar la mínima presión deseada. [16].
Termostato: Son accesorios que funcionan de acuerdo a la temperatura del agua. Apagan el quemador cuando se obtiene la máxima temperatura para la cual fue regulada. [16].
Control de nivel de agua: Los controles de nivel de agua, tienen por objeto controlar que el agua, dentro de la caldera, se mantenga en un valor o en un rango pre - determinado. [16].
Control de la llama: Mediante una celda fotoeléctrica se controla la llama (su largo) impidiendo la alimentación de combustible, en caso de que ésta no exista en el hogar. [16].
Control del encendido (chispa): Por medio de este control, se impide que salga combustible sin que exista la chispa para encender. [16].
1.7.- Control e instrumentación de la caldera
La caldera puede ser instrumentada de varias formas dependiendo para lo que se va utilizar, y para el control que se utilizará, se instrumenta para controlar el nivel, para controlar la presión o para controlar la temperatura y para esto se manipulan la flama del quemador, el paso del gas hacia el quemador entre otras cosa, en este caso se tiene diferentes tipos de instrumentación y se tomará una en general para desarrollar un lazo de control con el PLC (Controlador Lógico Programable).
Las calderas tienen un amplio uso en diferentes áreas y una de estas en donde más se utilizan es la industria, debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor para distintas partes del proceso. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor representada en t/h (toneladas por hora) o Kg. /h (kilogramos por hora) a una presión especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de la fábrica.
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1.- Aportar energía calorífica suficiente en la combustión del fuel – oil o del gas con el aire.
2.- El nivel debe de estar controlado y mantenido dentro de unos límites.
3.- Se debe de tener una llama segura en la combustión.
4.- El sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la operación y en el paro de la caldera.
5.- El funcionamiento de la caldera debe ser optimizado para lograr una rentabilidad y economía adecuadas, lo cual es posible con un control digital y /o distribuido que permite optimizar la combustión de tal manera que sea lo más seguro posible.
Para lograr todo esto la caldera la podremos dividir en diferentes secciones las cuales podremos hacer un control más eficiente, dividiremos la caldera de acuerdo a sus partes observando que parte modifica otra parte de la caldera es por eso que aremos control para cada una de las partes como lo es el control de la combustión, control de nivel, entre otros.
1.7.1.- Control de combustión
La regulación de la combustión se basa en mantener constante la presión de vapor en la caldera, tomándose sus variaciones como una medida de la diferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.
El controlador de la presión de vapor ajusta la válvula de control de combustible. La señal procedente del caudal de aire es modificada por un relé de relación para ajustar la relación entre el aire y el combustible, y pasa a un controlador que la compara con la señal de caudal de combustible. Si la proporción no es correcta, se emite una señal al servomotor de mando del ventilador o a la válvula de mariposa, de modo que el caudal de aire es ajustado hasta que la relación combustible – aire es correcta. [9]
En la regulación de la combustión puede darse preferencia en el mando al combustible o al aire para que la operación de la caldera corresponda a un sistema determinado de variadas características de seguridad. Estas características de combustión son las siguientes:
Caudal fuel – caudal aire en serie. Caudal aire – caudal fuel en serie
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Caudal fuel – caudal aire en serie
En el primer esquema de funcionamiento que puede verse en la figura 1.5 el controlador de presión ajusta el punto de consigna del controlador de caudal de fuel y esta variable actúa a través del relé de relación fuel – aire, como punto de consigna del controlador de aire. Como las variaciones del caudal del fuel influyen lentamente en la señal de presión de vapor, el controlador maestro se ajusta para una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta disposición si varía la presión del vapor, el caudal de fuel cambia antes que el del aire de combustión. Si se limita el caudal de fuel, lógicamente quedara también limitado el caudal de aire.
La desventaja principal del sistema es el riesgo de explosión que se presenta ante un fallo de aire en el punto de consigna del controlador de caudal de aire, si así ocurre no hay aire de combustión pero el fuel continua circulando. [9]
Figura 1.5 Lazo de control caudal fuel – caudal aire en serie
Presión de vapor – caudal fuel en serie / caudal aire en serie
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Figura 1.6 Lazo de control presión de vapor – caudal fuel en serie / caudal aire en serie
Caudal aire – caudal fuel en serie
Tal como puede verse en la figura1.7, aquí la señal de aire ajusta a través del relé de relación el controlador de fuel. El sistema es más seguro que el anterior ya que elimina la posibilidad de formación de una mezcla explosiva cuando falla la señal de aire de combustión.
Ingeniería en control y automatización Página 22 Figura 1.7 Lazo de control caudal aire – caudal fuel en serie
Caudal aire – caudal fuel en paralelo
La ventaja principal de este sistema, que puede verse en la figura 1.8 es su control directo en el fuel y en el aire. De hecho, para mantener una relación correcta fuel – aire conviene incorporar al sistema un relé de relación manual. [9]
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1.7.2.- Control de nivel
La regulación del agua de alimentación que establece el nivel de la caldera depende de múltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control de presión del agua de alimentación.
En las calderas, el nivel del líquido debe mantenerse en un punto específico para garantizar una operación segura y evitar situaciones peligrosas. Por tanto es necesaria la instalación de un control que permita ejecutar múltiples acciones bajo la dependencia de una sola variable, el nivel de agua. [9]
Dentro de los diferentes tipos de control de nivel de agua se tienen los siguientes:
Desplazamiento (flotador) Presión diferencial
Por burbujeo Capacitivo Por ultrasonido Conductivímetro Radioactivo Por electrodos
El sistema de control del agua de alimentación puede realizarse de acuerdo con la capacidad de producción de la caldera, según la tabla 1.1 que se muestra a continuación.
Tabla 1.1. Control de agua de alimentación de acuerdo a la capacidad del tanque
Tipo variables Capacidad de la caldera kg/h
Un elemento Nivel <6000 cargas
irregulares 6000-15000 Pequeños cambios de carga
>15000 Cargas mantenidas
Dos
elementos Nivel caudal de vapor Cargas irregulares con grandes fluctuaciones
Cambios de carga
moderados
Lentos
cambios de carga
moderados Tres
elementos Nivel caudal de vapor caudal de agua
>20 000
Ingeniería en control y automatización Página 24 Figura 1.9 Lazo de control de nivel de acuerdo a la salida
En calderas de pequeña capacidad inferior a 1000 Kg. /h, la regulación puede ser todo –nada, con dos alarmas de nivel alto y bajo que ponen en marcha la bomba de alimentación, ver en la figura 1.10 que se muestra a continuación.
Figura 1.10 Lazo de control de nivel con electro niveles
Ingeniería en control y automatización Página 25 Figura 1.11 Lazo de control de nivel con flotador
La regulación de nivel de dos elementos se logra con un controlador de caudal de vapor y un controlador de nivel cuyas señales de salida se comparan en un relé de relación que actúa directamente sobre la válvula de control del agua de alimentación. En la figura 1.12 puede verse este sistema de control. De acuerdo con la demanda de caudal de vapor hay una aportación inmediata de agua de alimentación a través del controlador secundario de nivel.
Este último es utilizado solamente como reajuste de las variaciones que pueden producirse con el tiempo en el nivel de la caldera.
Figura 1.12 Lazo de control de nivel con respecto a flujo en la salida
Ingeniería en control y automatización Página 26 Las tres variables que intervienen en el sistema son:
Caudal de vapor
Caudal de alimentación de agua Nivel de agua
Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, el caudal de vapor y el de agua deben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe reajustarse periódicamente para que se mantenga dentro de unos límites determinados (normalmente son de unos 50 mm por encima y por debajo de la línea central de la caldera). Manteniendo estas funciones en las tres variables, los instrumentos correspondientes pueden estar relacionados entre sí de varias formas. Las más representativas se encuentran en la figura 1.13 en las que una señal anticipativa (feedforward) del caudal de vapor, se superpone al control de nivel, y todas tienen por objeto dar prioridad a las diferencias entre los caudales de agua y de vapor frente a las variaciones del nivel que pueden producirse ante una demanda súbita, es decir el sistema de control en estas condiciones actúa obedeciendo a la diferencia relativa de caudales con preferencia a los cambios en el nivel.
Figura 1.13 Lazo de control de nivel con realimentación y relé comparador
Señalemos que la medida del caudal de vapor se efectúa preferentemente con una tobera porque su forma suave evita la erosión que de otra forma se producirá en una placa – orificio por causa de las gotas de agua que inevitablemente arrastra el vapor. El caudal de agua de alimentación puede medirse a través de una placa de orificio o de una tobera.[9]
Método que se utilizan para el control de nivel del agua
Ingeniería en control y automatización Página 27
Control on / off
Los sistemas de control on / off son más adecuados en instalaciones donde se puede tolerar una cierta variación en la presión de la caldera y el caudal de vapor. Por ejemplo podrían ser las calderas pequeñas con condiciones de carga estables. [3]
Control modulante
El control modulante proporciona una presión un caudal de vapor constante en las calderas de vapor. El caudal del agua de alimentación varia, por ejemplo a través de una válvula modulante, en respuesta a los cambios en nivel de agua. Con un control modulante la bomba de alimentación de agua de la caldera está en marcha todo el tiempo y se usa una línea de retorno al para devolver el agua sin usar al tanque. [3]
Utilización de controles y alarmas de agua en una caldera
Los controles ayudaran a lograr que un caudal de vapor coincida con los requisitos variables de una planta de vapor, es necesario un buen control de nivel de agua de la caldera. Con los pequeños espacios de vapor que ahora son comunes en las calderas modernas, es esencial una respuesta rápida y precisa a las variaciones en el nivel de agua. [3]
Las alarmas nos ayudaran para operar de manera segura, todas las calderas de vapor necesitan un método de avisar cuando los niveles de agua están demasiado bajos o altos. En muchos países, las normativas requieren dos alarmas de nivel bajo de agua independientes. También en muchos casos se requieren alarmas independientes de nivel alto. Con la tendencia hacia la caldera sin supervisión crece la necesidad de alarmas de alta seguridad y autocontrol. Estos sistemas pueden operar en muchos casos con intervalos entre pruebas extendidos. [3]
1.7.3.- Control de presión
Generalmente en las calderas de vapor, la presión del vapor de salida es la variable controlada. Esta actúa directamente sobre la operación del mecanismo que proporciona la energía, accionando dispositivos de parada o arranque dependiendo si las presiones de operación han sido o no satisfechas.
Ingeniería en control y automatización Página 28 En este controlador, el movimiento es directamente proporcional al cambio de presión (entre los limites alto y bajo). Un controlador proporcional más flotación se utiliza en calderas de presión alta y una capacidad pequeña. Los presostatos básicamente están compuestos por un diafragma, un mecanismo de transmisión de movimiento y contactos eléctricos que pueden ser platinos o bulbos de mercurio.
El diafragma es un elemento que censa la presión y produce una deformación que será multiplicada y transmitida por un resorte o un mecanismo de barras al elemento que produce el contacto eléctrico.
Resumen
En este capítulo se tomaron en cuenta diferentes puntos como lo que es una caldera, breve historia de la caldera en donde se habla de cómo se creo la primera caldera y como fue su evolución además se habla de las partes de una caldera las cuales son las más comunes teniendo en cuenta que en el proceso de la caldera se necesitan más elementos dependiendo de que tipo de caldera, dichos elementos no son mencionados en este capítulo, de igual manera se mencionaron los accesorios que podrían utilizar las calderas para su mejor desempeño, una parte importante de la cual es necesaria tener conocimientos es de la instrumentación utilizada con base a algunas figuras mostradas de cómo se instrumenta una caldera se realizara el simulador mostrado en el capítulo de desarrollo de ingeniería.
Ingeniería en control y automatización Página 29
CAPÍTULO II.- DESCRIPCIÓN DE LA CALDERA
PIRO TUBULAR
Ingeniería en control y automatización Página 30 Una gran cantidad de empresa comerciales industriales tienen la necesidad del calor es por ello que para diferentes industrias es necesaria una máquina generadora de calor, el cual ayudará a crear vapor y este vapor es el que será utilizado para diferentes procesos, por ejemplo, en las industrias alimenticias el calor se ocupa para el cocimiento, en las bebidas se utiliza para la pasteurización, en hospitales es de gran importancia como para la esterilización de instrumentos y para calentar agua, además como en los procesos de la realización de materiales de construcción se utiliza para el secado de ladrillos y también es utilizado para secar papel, en la industria de textil, cerámicos, químicos, entre otras.
2.1 Selección de la caldera
Para poder simular una caldera es necesario tener un conocimiento de ella ya que existen diferentes tipos de calderas y diferentes diseños de acuerdo a los procesos en las cuales son utilizadas, se selecciona un tipo de caldera exclusivamente para poder simularla de esta manera se tendrá una idea de cómo trabaja una caldera y se podrá hacer la simulación para otros tipos de caldera ya que solo cambian algunas características.
Uno de los criterios principales para escoger una u otra caldera es de saber que es una caldera muy utilizada en la industria, esta caldera tiene varias aplicaciones las cuales cambian solo los valores de vapor es por ello que se eligió esta caldera.
Para la realización de la simulación de una caldera es necesario escoger una en específico ya que cada caldera es diferente, sabemos que hay un sin fin de calderas de diferentes marcas y con la posibilidad de hacer el mismo funcionamiento que es el de crear vapor a altas temperaturas.
Para esto se escoge la caldera piro tubular de la empresa Loos Internacional (Nombre de la empresa), la cual tiene como nombre universal UL –S / UL-SX, mostrada en la figura 2.1.
Figura 2.1 Caldera piro tubular modelo UL – S / UL – SX
Ingeniería en control y automatización Página 31 La creación de esta caldera da como resultado:
Funcionamiento flexible que se adapta a las fluctuaciones de la demanda Robusta de funcionamiento seguro y diseñada para una larga vida útil Económica y con bajas emisiones
Estabilidad en condiciones de altas presiones Vapor de gran calidad para usuarios exigentes
Estable tanto en cargas máximas como mínimas supera fácilmente cualquier fluctuación de la demanda
Adaptable a todos los sistemas de quemadores
Circulación estable del agua y rápido intercambio de calor Facilidad de utilización y de mantenimiento
Vapor recalentado procedente del modulo de recalentamiento y adecuado para arranques en seco
Recalentador como separador de agua con temperatura no regulada del vapor recalentado
Máximos niveles de disponibilidad y seguridad [6].
2.1.1.- Equipamiento
La caldera viene equipada con lo siguiente:
Válvula de manómetro con brida de comprobación Manómetro
Transmisor de nivel (4-20 mA.)
Electrodos limitadores de nivel bajo de agua Presostato de seguridad
Válvula de interrupción del tubo de presostatos no precisa mantenimiento Transductor de presión (4 – 20 mA)
Indicador de nivel de agua con protector y reflector Grifo de purga, grifo para toma muestras de agua
Quemador, posibilidades de mando opcionales 2 etapas, 3 etapas totalmente modulante.
Revestimiento de aislante Aislamiento
Base soporte
Por el otro lado de la caldera cuenta con el siguiente equipo:
Válvula de salida de vapor no precisa mantenimiento Válvula de seguridad de resorte
Válvula de retención del agua de alimentación
Válvula de interrupción del agua de alimentación, no precisa mantenimiento Separador de agua
Opciones: válvula reguladora de purga de sales, válvula de interrupción de la purga de sales, grifo de toma de muestras de agua transmisor de conductividad
Ingeniería en control y automatización Página 32 2º paso de los tubos de humo
1er paso del hogar
3er paso de los tubos de humo Automatismo de purga de lodos
Válvula purga no precisa mantenimiento [7]
Todo este equipamiento lo podemos observar en las figuras mostradas 2.2 y 2.3 en las cuales nos muestran como esta ubicado cada equipo mencionado con anterioridad.
