FWESA. Control Calderas de Vapor

Transcripción

1 FWESA 9/Abril/2008 Control Calderas de Vapor Rubén Soriano

2 Una caldera... Control Calderas de Vapor Generalidades Qué es?, qué hace? Cómo funciona?. Qué componentes tiene?. Para que sirve?. 2

3 Generalidades Qué es una caldera? ES UN GENERADOR DE VAPOR FUNCIONA TRANSFORMANDO ENERGIA aire Gases de combustion pérdidas rendimiento Combustible INPUT CALDERA OUTPUT Vapor a proceso Agua de alimentacion 3

4 Generalidades Transformamos y transferimos la energía RADIACIÓN COMBUSTIBLE Energia Potencial Quimica TEMPERATURA GASES (CONVECCIÓN) VAPOR DE AGUA Alta entalpía Sistema aire-gases Sistema agua-vapor 4

5 Generalidades TIPOS DE CALDERAS Calderas Pirotubulares Los gases de combustión circulan por el interior de los turbos. El agua-vapor por el exterior de los tubos, contenida en un cilindro a presión. Limitaciones en producción, presión y temperatura. Menos seguras. Menor disponibilidad. Calderas Acuotubulares El agua-vapor circula por el interior de los tubos, los gases por el exterior. Mas caras. Menos compactas. 5

6 Caldera Pirotubular 6

7 Caldera Pirotubular 7

8 Caldera Pirotubular 8

9 Caldera Acuotubular 9

10 Caldera Acuotubular 10

11 Caldera Acuotubular 11

12 Generalidades Diagrama básico de una caldera vapor 12

13 Generalidades SISTEMA AGUA-VAPOR El agua introducida en la caldera es convertida en vapor, que sale de la caldera al recibir el calor necesario mediante la transferencia de calor a través del metal de los tubos. 13

14 Generalidades SISTEMA COMBUSTIBLE-AIRE-GASES Proporciona el calor que se transmite al agua. El aire y combustible se queman en el hogar, el cual está formado por paredes de tubos de agua que reciben el calor radiante de la llama y es por tanto donde se produce mayor transferencia de calor. Los gases de combustión resultantes de esa pérdida de calor se enfrían y abandonan el hogar pasando a la zona recuperadora de calor donde la transferencia es por convección. 14

15 Generalidades SISTEMA AIRE-GASES VENT Combustible QUEM HOGAR SC EVAP ECO CHIM SISTEMA AGUA-VAPOR SC EVAP CALD ECO BAA 15

16 Generalidades SISTEMA AIRE-GASES vs SISTEMA AGUA-VAPOR Temperatura Gases Temperatura Agua-Vapor Vapor Sobrec. Vapor Saturado Agua SOBRECALENTADOR EVAPORADOR ECONOMIZADOR Mayor eficiencia cuanto menor sea la temperatura de salida de gases. 16

17 Generalidades Diagrama T-S de un proceso transformación agua-vapor 17

18 Generalidades Evolución a-b: Al agua dentro se la calienta hasta la temperatura de saturación Tsat a partir del cual comienza a cambiar de estado. Esto se realiza a presión constante. Evolución b-c: Esta evolución, que también se realiza a presión constante, involucra la transformación líquido en vapor y como todo cambio de fase, éste se realiza a temperatura constante e igual a la de saturación Tsat. Evolución c-d: Esta evolución, que también se realiza a presión constante, involucra el sobrecalentamiento del vapor saturado seco en vapor sobrecalentado. 18

19 Generalidades COMPONENTE 1: HOGAR Liberamos la energía química de los componentes combustibles por oxidación con aire. 19

20 Generalidades COMPONENTE 2: EVAPORADOR Se recupera la radiación liberada y el calor absorbido por los gases y se transfiere al agua de alimentación. Parte del agua vaporiza a alta presión. Se separa el agua del vapor en el calderín. 20

21 Generalidades 21

22 Generalidades CIRCULACION NATURAL CALDERA ACUOTUBULAR Los tubos se distribuyen de manera que una parte de ellos quedan en el lado caliente (en contacto con los gases de combustión). El agua de estos tubos calientes es parcialmente evaporada de forma que el vapor asciende hacia el calderín debido a la menor densidad de éste respecto al agua. El agua de la parte fría circula hacia el inferior debido a la mayor densidad del agua. A muy altas presiones la diferencia de densidad entre el agua y vapor es mínima y se debe acudir a circulación forzada. 22

23 Generalidades COMPONENTE 3: SOBRECALENTADOR Se sobrecalienta el vapor por encima de la temperatura de saturación para aumentar su entalpía. La temperatura final se controla mediante un spray. 23

24 Generalidades COMPONENTE 4: ECONOMIZADOR El agua de alimentación se introduce en el calderín casi a temperatura de saturación. Consumimos menos combustible. Economizamos. Aprovechamos el calor restante en los gases antes de liberarlos calentando el agua de alimentación. Cald. BAA Economizador Gases calientes 24

25 Generalidades Aplicación 1. Calentar procesos. Hay muchos procesos industriales que evolucionan más rápidamente a altas temperaturas. La eficacia y el rendimiento es mayor. Refinerías de petróleo, industria química y petroquímica, fabricación de papel, alimentación, azúcar, modelado de plásticos... Transferimos la entalpía del vapor producido en la caldera a otro proceso, elevando su temperatura. El vapor condensa y retorna como agua de alimentación. 25

26 Generalidades Aplicación 1. Calentar procesos. PROCESO FRIO Vapor de caldera Agua alimentación a caldera REACTOR PROCESO CALIENTE 26

27 Generalidades Aplicación 2. Mover máquinas. Podemos transformar la entalpía del vapor en trabajo mecánico en una turbina, prensa, máquina de vapor etc. Físicamente se denomina expansión isoentrópica. Movemos el vapor entre un foco caliente (alta presión, temperatura, entalpía) y un foco frío (baja presión, temperatura, entalpía). Se utiliza ampliamente en la industria para mover bombas, compresores, prensas hidráulicas... 27

28 Generalidades Aplicación 2. Mover máquinas. FOCO CALIENTE SC Vapor alta presion Alta temp, alta entalpía CALDERA TURBINA BOMBA Vapor baja presión Baja temp, baja entalpía FOCO FRIO 28

29 Generalidades Aplicación 3. Generación Eléctrica. Podemos enviar el vapor a una turbina que a su vez mueve un alternador que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. El vapor de baja entalpía lo condensamos refrigerando con un medio exterior y cerramos el ciclo dirigiéndolo de nuevo al economizador de la caldera. Centrales térmicas, autogeneración, cogeneración... 29

30 Generalidades Aplicación 3. Generación Eléctrica. SC CALDERA TURBINA ALT ECO Agua fria CONDEN CA DG BAA CA BC Agua caliente 30

31 Objetivos del Control Suministro continuo de vapor en condiciones adecuadas de presión y temperatura. Operar continuamente la caldera al menor coste de combustibles manteniendo un alto nivel de seguridad. Arrancar y parar de forma segura, vigilar y detectar condiciones inseguras y tomar las acciones necesarias para una operación segura en todo momento. 31

32 Introducción Conseguir el equilibrio de masa y energía en la caldera ante variaciones de la demanda. Equilibrio de masas - Control de nivel del calderín. 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. 32

33 Introducción Esquema de control básico de una caldera 33

34 Reguladores PID Consigna (SP) + - Error CONTROLADOR PID Variable Manipulada PROCESO Variable Proceso (PV) MEDIDA (Realimentación) Controlador PID Algoritmo de control cuya acción sobre el proceso está en función del error. PID= P*[error + (1/Ti)* error + Td * error] 34

35 Ejemplo Reguladores PID ENTRADA AGUA TANQUE REGULADOR PID PV LT LC SP SALIDA AGUA Si el nivel del depósito LT es inferior a la consigna SP fijada, el regulador LC disminuirá su salida, para evacuar menos agua y conseguir que el nivel aumente. Si el nivel del depósito LT es superior a la consigna SP fijada, el regulador LC aumentará su salida, para evacuar mas agua y conseguir que el nivel disminuya. 35

36 Sistema Agua-Vapor LT TT TT SC 1 SC 2 FT PT TT LT PT PT TT TT TT SPRAY TT Control TT FT ECO TT Seguridad Monitorización BAA 36

37 Control Nivel Calderín OBJETIVOS Mantener 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. 37

38 Nivel Calderín (Control 1 elemento) TT SC 1 SC 2 PT TT LT SP LC SPRAY FT FT ECO BAA 38

39 Nivel Calderín (Control 1 elemento) PROBLEMAS 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 intuitívamente se espera que ocurra. Al incrementar la demanda, la presión disminuye aumenta la evaporación y el tamaño de las burbujas (esponjamiento) aumento temporal del nivel. Al disminuir la demanda, la presión aumenta disminuye la evaporación y el tamaño de las burbujas (contracción) disminución temporal del nivel. 39

40 Nivel Calderín (Control 2 elementos) La medida de caudal de vapor actúa como señal índice que anticipa las variaciones en el consumo. Diseño adecuado para cambios de carga rápidos. 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. 40

41 Nivel Calderín (Control 2 elementos) TT SC 1 SC 2 PT TT LT SP LC SPRAY FT Σ FT ECO BAA 41

42 Nivel Calderín (Control 3 elementos) Se añade el caudal de agua de alimentación, para evitar los problemas sobre la repetitividad en el elemento final. Se elimina la influencia de la presión de suministro. 42

43 Nivel Calderín (Control 3 elementos) TT SC 1 SC 2 PT TT LT SP LC SPRAY FT Σ SP FC FT ECO BAA 43

44 Nivel Calderín (Control 3 elementos) Relaciones deseadas agua-vapor 44

45 Temperatura Vapor (Control 1 elemento) Mantener la temperatura del vapor dentro de un rango independientemente de la carga, sólo para calderas de vapor sobrecalentado. 45

46 Temperatura Vapor (Control 1 elemento) SC 1 SC 2 FT PT LT TT TT SPRAY TC SP FT ECO BAA 46

47 Temperatura Vapor (Control 2 elementos) Se incluye la medida de temperatura del vapor tras el spray. Se consigue una acción correctiva frente a perturbaciones antes de la entrada del sobrecalentador final (Ej.: las modificaciones en el caudal y temperatura de spray son detectadas más rápidamente). Se incluye también una protección para evitar la saturación del vapor antes de la entrada del vapor al sobrecalentador final. 47

48 Temperatura Vapor (Control 2 elementos) SC 1 SC 2 FT PT LT TT TT SPRAY TC SP TC SP FT ECO El SP del controlador esclavo se limitará para que nunca sea inferior a la temperatura de saturación BAA 48

49 Control Demanda Carga OBJETIVOS Generar la señal de demanda de carga a los quemadores para mantener el equilibrio entre la energía demandada y la energía entregada. La presión de vapor indicará si este equilibrio es mantenido: Si la presión se mantiene en su consigna significa que Energía entregada = Energía demandada Si la presión es inferior a su consigna significa que Energía entregada < Energía demandada Si la presión es superior a su consigna significa que Energía entregada > Energía demandada 49

50 Control Demanda Carga TT SC 1 SC 2 FT TT LT SPRAY PT SP PC FUEL AIRE FT ECO CONTROL COMBUSTION BAA 50

51 Sistema Aire-Gases VALVULA FUEL FT PT TT (*) PT (*) Solo en combustibles líquidos como fuel-oil que necesitan alta temp. (aprox ºC) para poder ser quemados BS BS TT ECO TT CAJA VIENTOS AT Control CHIMENEA FT FT TT Seguridad VENTIL. AIRE Monitorización 51

52 Control Combustión OBJETIVOS Mantener la relación entre caudal 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. 52

53 Control Combustión VALVULA FUEL FT SP FC DEMANDA FUEGO ECO SP FC CAJA VIENTOS AT CHIMENEA FT AIRE 53

54 Control Combustión con limites cruzados VALVULA FUEL FT SP FC < DEMANDA FUEGO ECO > SP FC CAJA VIENTOS AT CHIMENEA FT AIRE 54

55 Control Combustión sin corrección por O2 Si el exceso de O2 aumenta se reduce la temperatura de la llama redución transmisión de calor por radiación y aumentando las pérdidas por chimenea pues el exceso de aire sale a la misma temperatura que los gases de combustión. Si el exceso de O2 disminuye inquemados con las siguientes consecuencias: Combustión insegura, riesgo de explosión. Se depositan en los tubos, reduciéndose la transferencia de calor, dando lugar a una reducción de la eficiencia 55

56 VALVULA FUEL Control Calderas de Vapor Control Combustión con limites cruzados y corrección por O2 FT SP FC < DEMANDA FUEGO ECO > ± CAJA VIENTOS AT CHIMENEA SP FC FT AC SP (variable según carga caldera) AIRE 56

57 Curva Exceso de Oxígeno El exceso de aire a bajas cargas debe ser alto debido a que la mezcla de combustible aire es poco efectiva (bajas cargas caudal aire bajo velocidad aire bajo mezcla poco efectiva). El exceso de aire a altas cargas puede ser más cercano a los valores estequiométricos. El exceso de aire es bajo en combustibles gaseosos por su facilidad de mezclarse con el aire. Los combustibles líquidos precisan de unos excesos de aire mayores en función de su atomización (mayor superficie de contacto con el aire). En combustibles sólidos el exceso de aire será aún mayor. 57

58 Curva Exceso de Oxígeno Exceso de oxígeno en función de la carga 58

59 Sistema de Sopladores OBJETIVOS Limpieza de las superficies de intercambio de calor (sobrecalentador, evaporador, economizador) para mantener la eficiencia de la caldera. Se tendrá en cuenta el coste del soplado (caudal de vapor, erosión de los tubos de caldera) contra la reducción de la eficiencia de la caldera por alta temperatura en los gases de salida. La secuencia de soplado irá en el sentido de los gases. 59

60 Sistema de Sopladores 60

61 Sistema de Sopladores 61

62 Sistema de Sopladores 62

63 Sistema de Sopladores 63