CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TÉRMICAS ÍNDICE DE MATERIAS

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1 CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TÉRMICAS ÍNDICE DE MATERIAS 1. INTRODUCCIÓN SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE RECIRCULACIÓN. CALDERAS CON CALDERÍN CONTROL DE COMBUSTIÓN FORMACIÓN DE LA DEMANDA DE CALDERA SISTEMAS DE CONTROL DE COMBUSTIÓN LIMITACIÓN DEL COMBUSTIBLE POR EL AIRE CONTROL DE COMBUSTIBLE CONTROL DEL AIRE DE COMBUSTIÓN CONTROL DE LA CANTIDAD DE EXCESO DE AIRE CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR CON PROTECCIÓN CONTRA IMPLOSIONES CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE UN ELEMENTO CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE DOS ELEMENTOS CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE TRES ELEMENTOS CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO. CALDERAS SIN CALDERÍN CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN CALDERAS SIN CALDERÍN CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA CALDERA DURANTE LOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJAS...32 SISTEMAS DE CONTROL DE LAS TURBINAS DE VAPOR UTILIZADAS EN CENTRALES TÉRMICAS 4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGA REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA, INDICE 1

2 DE TRANSMISIÓN MECÁNICA REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA DE TRANSMISIÓN MECÁNICA-HIDRÁULICA. CORREDERA DE DISTRIBUCIÓN REGULACIÓN SECUNDARIA. DISPOSITIVO DE AJUSTE DE VELOCIDAD REGULADOR HIDRÁULICO REGULADORES ELÉCTRICOS CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR REPARTO DE LA VARIACIÓN DE POTENCIA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO ENTRE LOS TURBOGENERADORES QUE TRABAJAN SOBRE ÉL UTILIZACIÓN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LA REGULACIÓN ELECTRÓNICA DE LA TURBINA PROTECCIONES DE UNA CENTRAL TÉRMICA PROTECCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA) PROTECCIONES DE TURBINA: DISPOSITIVOS DE DESCARGA Y DISPARO DISPOSITIVOS DE DESCARGA DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE BAJO VACÍO DISPOSITIVOS DE DESCARGA POR BAJA PRESIÓN DE VAPOR DISPOSITIVOS DE DISPARO DISPARO POR SOBREVELOCIDAD DISPARO POR FALLO DE ACEITE DE LUBRICACIÓN DISPARO POR FALLO DEL COJINETE DE EMPUJE DISPARO POR BAJO VACÍO DISPARO POR FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR COMO MOTOR DISPARO MANUAL LOS SISTEMAS CENTRALIZADOS DE CONTROL SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC) SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) Y CONTROL AUTÓMATA LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO (APC)...67 INDICE 2

3 CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TÉRMICAS 1. INTRODUCCIÓN Un factor esencial en la explotación de una central térmica de generación de energía eléctrica, es la necesidad de seguir los cambios de la demanda de carga del sistema a que está conectada. Al aumentar la demanda de carga de un sistema, ha de aumentarse la potencia que las centrales están generando sobre el mismo. Como la electricidad no se puede almacenar en forma económica, es preciso producirla al mismo tiempo que se demanda. El objetivo de la función de control de la central es igualar la producción de energía con la demanda de carga. El método más sencillo de control global de la unidad es el modo de caldera sigue a turbina. En este modo, como su nombre indica, la caldera sigue los cambios de carga que se inician, en primer lugar, en las válvulas reguladoras de la turbina. Por ejemplo, un aumento en la demanda de carga hará que el regulador abra inmediatamente las válvulas de control, dejando pasar más vapor a la turbina. Esto produce un aumento del caudal de vapor y una disminución de la presión. El sistema de control de la caldera percibe la disminución en la presión del vapor, y responde aumentando las entradas de combustible, aire y agua a la caldera. A medida que aumenta el régimen de estas entradas, se recuperará la presión de vapor y se estabilizará en el punto de ajuste. Este método se halla todavía en uso en un gran número de centrales térmicas antiguas, y permite una respuesta rápida a los aumentos de la demanda de carga. Una modalidad más refinada de control de la unidad, mediante la que es posible una regulación más estrecha de la presión del vapor, es el modo turbina sigue a caldera. En este método, se inicia un aumento en la demanda de carga ajustando el régimen de entrada de aire y combustible en la caldera. Como resultado, aumentará la presión de vapor en válvulas reguladoras. El controlador de presión de vapor en el sistema de regulación de la turbina percibe este aumento de presión, y abre las válvulas reguladoras de la turbina para que entre más vapor. En esta disposición, la turbina actúa como dispositivo regulador de presión para la caldera. Este método de control, debido a que la caldera responde con relativa lentitud a los cambios de combustión, limita realmente los cambios rápidos de carga. Frecuentemente se usa una combinación de los dos sistemas anteriormente descritos, llamada sistema de control integrado o coordinado para proporcionar el control óptimo en la unidad. Este método combina los dos anteriores y da una respuesta rápida a los cambios de carga, con una relativa estabilidad de la presión del vapor. 2. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE RECIRCULACIÓN. CALDERAS CON CALDERÍN Estudiaremos el control de calderas con recirculación, es decir, de calderas con calderín. El principio de funcionamiento de este tipo de calderas se trata en los distintos capítulos correspondientes al generador de vapor. En lo que respecta a la regulación, la caldera con calderín y circulación natural presenta las siguientes características a tener en cuenta: 1

4 - La altura del nivel del agua en el calderín es una magnitud representativa del agua de alimentación a introducir en la caldera (el caudal de agua debe ser igual al de vapor si se desea mantener constante el nivel). - El hecho de que el calderín esté situado después de las superficies vaporizadoras y antes del sobrecalentador, resulta favorable para la regulación de la temperatura del vapor, ya que esta disposición hace que las variaciones de caudal de agua de alimentación ejerzan poca influencia sobre el caudal de vapor. - Al ser las zonas de sobrecalentamiento fijas (la zona de separación agua/vapor está Figura 1: Esquema de los controles más importantes de una caldera perfectamente localizada en el calderín) y predominar en las calderas el calentamiento por convección, la respuesta natural de la caldera respecto a la temperatura estará ligada a la temperatura y volumen de los gases de combustión, por lo que no se podrá alcanzar el set point para cargas inferiores al 40 % o 50 % de la nominal. - Debido al gran volumen del calderín y de las superficies vaporizadoras, la capacidad 2

5 térmica de la caldera es grande, lo que permite compensar la inercia del sistema ante variaciones de carga. Estas calderas emplean, para su regulación, los tipos de controladores expuestos en los principios básicos de control. Los cuatro sistemas más importantes en la regulación de una caldera con calderín son las Figura 2: Formación de la señal de demanda de caldera representadas en la figura 1 en la que: R 1 es sistema regulador de la presión de vapor o control de combustión. R 2 es sistema de control de la presión del hogar. R 3 es sistema de control de la temperatura del vapor. R 4 es sistema de control del caudal de agua de alimentación. 3

6 2.1. CONTROL DE COMBUSTIÓN El objetivo del control de combustión de una caldera es el de satisfacer la demanda de vapor de la turbina mediante la regulación de la cantidad de combustible y aire introducido en Figura 3: Sistemas de control de combustión en serie (a) y en paralelo (b) el hogar, para que en todo momento exista un equilibrio entre producción y consumo, manteniendo unas condiciones de operación seguras y eficientes FORMACIÓN DE LA DEMANDA DE CALDERA Se utiliza la presión del vapor por ser la variable más representativa del funcionamiento del sistema, permitiendo al sistema de combustible detectar y anular cualquier desequilibrio entre las entradas y salidas de la caldera. Ante un aumento de demanda de vapor de la turbina, el proceso que tiene lugar es el siguiente: - Aumenta la apertura de las válvulas de control de la turbina. - Aumenta el caudal de vapor y se produce una disminución de la presión. Como se verá más adelante, resulta afectado el nivel del calderín. - La respuesta del sistema de control a estas variaciones, será producir un aumento del caudal de agua de alimentación y un aumento del caudal de combustible, provocándose con ello una liberación de calor suplementaria. Este calor es suficiente para ocasionar un aumento de la producción de vapor que equilibre la demanda y restablezca la presión. Aunque la presión de vapor es suficiente por sí sola, para detectar desequilibrios en el sistema, se suele añadir una segunda variable que haga más rápida la respuesta y que acostumbra a ser el caudal de vapor configurado como una señal de anticipación (ver apartado de control en cascada con anticipación en principios básicos de control). De esta forma se posibilita, durante los cambios de carga, que el combustible y el aire se adapten a la nueva carga, de la cual el caudal de vapor es una perfecta imagen, sin necesidad de 4

7 esperar a que se produzcan errores de presión, siendo éstos los que originarán un ajuste fino posterior de la combustión si la cantidad anticipada no fuese exacta. El diagrama de la figura 2 representa la formación de la señal indicativa de la carga de Figura 4: Diagrama de un sistema de control posicional directo caldera conocida como señal de demanda de caldera. Puede verse cómo a la salida del regulador P+I, cuya entrada es el error de presión, se le suma la señal de anticipación constituida por el caudal de vapor SISTEMAS DE CONTROL DE COMBUSTIÓN Existen dos sistemas de control de combustión: sistemas de control en serie (figura 3a) y sistemas de control en paralelo (figura 3b). Sistemas de control en serie En este tipo de sistemas la señal de demanda de caldera origina cambios en el caudal de aire (variable controlada primaria), que a su vez producen un cambio posterior del caudal de combustible (variable secundaria). Este tipo de sistemas se emplea en calderas que necesitan subir carga rápidamente y bajarla de forma más lenta. Lo contrario ocurre cuando es el combustible la variable controlada primaria. Este tipo de control está limitado a calderas pequeñas. Sistemas de control en paralelo La señal de demanda afecta simultáneamente tanto al combustible como al aire. Es un método muy común para cualquier tipo y tamaño de calderas. 5

8 El desarrollo de estos sistemas puede realizarse por dos procedimientos fundamentales: el control posicional directo y el control con mediciones de realimentación. En el control posicional directo, tal como se puede ver en la figura 4 la señal de demanda de caldera posiciona directamente los elementos de alimentación de combustible y de aire, y la única realimentación que existe en el sistema es la de la presión, que modificará la demanda si Figura 5: Diagrama de un sistema de control en serie con mediciones la posición de los elementos finales no hubiese sido la correcta. La relación entre aire y combustible se fija mediante la estación selectora dispuesta para este fin. En los sistemas de control con mediciones de realimentación, tal como se puede ver en las figuras 5 y 6, la demanda de caldera o demandas de combustible y aire, se comparan con los valores reales medidos de ambas variables, siendo los errores entre demanda y valor instantáneo los que, después de ser tratados en controladores de acción P+I, posicionan los elementos finales correspondientes. Los sistemas de medición pueden aplicarse a sistemas de control en serie (figura 5) o a 6

9 sistemas de control en paralelo (figura 6), siendo esta última combinación la más utilizada, al ofrecer una respuesta más rápida entre cambios de carga, ya que las correcciones de combustible y aire se hacen de forma simultanea. Figura 6: Diagrama de control en paralelo con mediciones LIMITACIÓN DEL COMBUSTIBLE POR EL AIRE Los sistemas de control que se han visto hasta ahora no garantizan una operación segura durante regímenes transitorios, en los que fácilmente pueden crearse condiciones de defecto de aire y por tanto de combustible inquemado y consecuente riesgo de explosión. Esta situación puede evitarse mediante una estrategia conocida como de limitación cruzada, un esquema de la cual se representa en la figura 7. Mediante una selectora de máxima y otra de mínima se consigue un efecto de adelanto de aire respecto al combustible en las subidas de carga y otro de retraso en las bajadas. El selector de máxima elige como salida la mayor entre las señales de demanda de caldera y caudal de combustible, utilizándose dicha salida como punto de consigna para el aire. El selector de mínima lo hace entre la misma señal de demanda y el caudal de aire formando el 7

10 punto de consigna del combustible. El sistema está ajustado de forma que las señales que llegan a los electores, en condiciones de carga estable, sean iguales. Cuando la demanda de caldera aumenta, la señal no puede prosperar a través del selector de mínima pero si a través del de máxima, por lo que el Figura 7: Diagrama de control en paralelo con medición y limitación cruzada primero aumenta el caudal de aire y como consecuencia el de combustible. Por el contrario, cuando la demanda disminuye, el punto de consigna para el aire sigue siendo, a través del selector de máxima, el valor real del combustible, por lo que no disminuye, pero si lo hace el punto de consigna para el combustible por el selector de mínima. Con este sistema se consigue disminuir en primer lugar el combustible y el aire disminuirá sólo después de hacerlo aquel CONTROL DE COMBUSTIBLE 8

11 En la figura 8 se representa la disposición más utilizada en Centrales Térmicas con hogares de carbón pulverizado y que además utilizan fuel-oil como combustible de apoyo. A la señal de combustible generada como salida del selector de mínima del circuito de selección cruzada, figura 7, se le resta la señal de caudal total de carbón para producir la demanda de fuel-oil. Figura 8: Diagrama de control de combustible La demanda de combustible se compara con el caudal total de combustible (carbón + fuel-oil). La señal de error del combustible total que se obtiene se le aplica el controlador P+I 9

12 Figura 9 : Diagrama de control del aire con mando directo en el regulador principal, cuya salida constituye, a su vez, la demanda para cada molino. Esta demanda, en los lazos de control de cada uno de los molinos en servicio, se compara con el caudal de carbón que esté saliendo del mismo, constituyéndose una nueva señal de error, que será a su vez la entrada del regulador de demanda del molino, que posicionará el elemento final, que puede ser la compuerta de aire de transporte que se introduce en el pulverizador para arrastrar el carbón hasta el hogar o el variador de velocidad del alimentador, según el tipo de molino. Un tratamiento similar se realiza para la demanda de fuel-oil, controlándose la posición 10

13 de la válvula que alimenta a los quemadores CONTROL DEL AIRE DE COMBUSTIÓN Se distinguirá entre: - Control del aire con mando directo, empleado en instalaciones en las que las compuertas de distribución de aire a cada mechero o grupo de mecheros tienen una posición fija. El control (figura 9) actúa directamente sobre las compuertas de aspiración de los ventiladores de tiro forzado para conseguir el caudal de aire demandado en principio, por medio de una señal de anticipación y ajustado posteriormente a su valor exacto mediante el regulador principal de aire, que actúa sobre el error entre la demanda de aire y su valor real. Existe una selectora principal desde la cual se puede actuar manual y simultáneamente sobre los dos ventiladores y una selectora para mando individual de cada ventilador con posibilidad de cargar más un ventilador que otro (bias) - Control del aire con mando sobre las compuertas que suministran el aire a los quemadores. En estas instalaciones el control principal de aire se efectúa actuando sobre las compuertas de regulación existentes en los conductos que suministran el aire a los quemadores. La configuración es totalmente similar a la estudiada anteriormente necesitándose, además, mantener una presión determinada, normalmente en función de Figura 10: Oxígeno en función de la carga y pérdidas en función del exceso de aire la carga, en la impulsión de los ventiladores de tiro forzado CONTROL DE LA CANTIDAD DE EXCESO DE AIRE El control del exceso de aire es importante desde el punto de vista de optimizar el rendimiento de la caldera. En los capítulos sobre combustión ya se ha visto como es necesario un exceso de aire para que tenga lugar la combustión completa del combustible. En primer lugar para conseguir una buena mezcla entre combustible y aire y en segundo lugar para evitar condiciones de defecto de aire que provocaría una combustión incompleta. El operador debe poder actuar sobre la señal real de aire, haciéndola mayor o menor, según sea necesario bajar o 11

14 subir la cantidad de aire en el hogar, en función de la medida de oxígeno que corresponda. La cantidad de exceso de aire necesario es dependiente de la carga de la caldera (figura 10), cuando esta es baja el exceso de aire debe de ser mayor, ya que al ser menor el caudal de aire su velocidad de salida por los quemadores disminuye y la mezcla aire-combustible empeora. Figura 11: Diagrama de control del exceso de aire Al quemar con más aire se contrarresta esta situación. A cargas altas, el exceso de aire puede ser menor ya que la velocidad es suficiente y en tal caso el exceso debe de aproximarse al valor para el que las pérdidas de combustión sean mínimas. Precisamente el hacer óptimo el exceso de aire es uno de los medios más efectivos para mejorar el rendimiento de la caldera. Por ejemplo, por cada 1 % de reducción de exceso de oxígeno en los humos, para altos noveles de éste, se consiguen mejoras de rendimiento del 1 %, aproximadamente, mientras que para niveles de trabajo inferiores al 3 % la misma reducción origina mejoras del 0.5 %. Lo ideal es conseguir que el punto de operación sea tal, que la suma de las pérdidas por combustible inquemado más las ocasionadas por pérdida de calor en los humos, sea mínima, 12

15 trabajando en una zona como la sombreada en la parte derecha de la figura 10. Los parámetros más usados como imágenes de la cantidad de aire en exceso son el oxígeno y el monóxido de carbono contenidos en los humos. Ambas medidas dan información sobre el desarrollo de la combustión y cuando se usan combinadas, proporcionan la representación más fiel de la misma, utilizándose siempre como medida principal la del oxígeno. El control del exceso de aire, es el primer paso en la optimización de la relación airecombustible. Con disposiciones como las representadas en las figuras 4 a 8, el operador actúará Figura 12: Relación entre el CO y el O 2 en los humos para distintos combustibles a través de una estación selectora, sobre la señal real de aire, haciéndola mayor o menor según desee bajar o subir la cantidad de aire en el hogar. El control puede realizarse de forma automática mediante una disposición como la de la figura 11. El punto de consigna para el oxígeno se obtiene en función de la señal de caudal de vapor, representativa de la carga, según se indicaba en la parte izquierda de la figura 10. Este punto de consigna se compara con el valor real del oxígeno medido por un analizador. Al posible error se le aplica el controlador P+I, en el regulador de exceso de aire, cuya salida se aplica como un factor de corrección, dentro de unos márgenes dados, al caudal real de aire. Este controlador del exceso de aire es de acción directa, esto quiere decir que aumentará su salida, y por tanto el factor de corrección si lo hace el oxígeno. Aumenta así el valor de la señal de aire corregida que va a actuar sobre el regulador principal del aire, que, como consecuencia, disminuirá el caudal real y por lo tanto la concentración de oxígeno. Si el oxígeno disminuyera, ocurriría a la inversa, aumentando al final el caudal real de aire. El control de exceso de aire realizado a través del oxígeno puede complementarse con señales procedentes de la medida del monóxido de carbono (CO) contenido en los humos, en virtud de ciertas características de esta medida que no posee la del oxígeno y que son: - La medida de CO no se ve afectada de forma importante por las posibles infiltraciones de aire al hogar o conductos, como ocurre con la de O 2. 13

16 - La medida de CO está relacionada directamente con el combustible sin quemar, por lo que puede utilizarse para comprobar que la combustión es completa, con mayor precisión que la de O 2. - La cantidad de CO que garantiza que la combustión sea completa está dentro del intervalo entre 150 y 250 ppm; como se puede ver en la figura 12. Por el contrario, el contenido de oxígeno en los humos necesario para asegurar una buena combustión es Figura 13: Control del exceso de aire con influencia del CO siempre función del tipo de combustible. En función de estas características se pueden configurar disposiciones como la de la figura 13, en la cual se introduce una señal al punto de consigna de oxígeno basada en la medida del monóxido de carbono. También se puede hacer uso de la medida de opacidad de los humos que salen hacia el precipitador, que está relacionada con el contenido de partículas de inquemados, aunque es de 14

17 muy baja fiabilidad al depender fundamentalmente del contenido en cenizas volantes CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR Muchas calderas industriales trabajan con el hogar a una presión siempre superior a la atmosférica. Los ventiladores de tiro forzado suministran el aire necesario para la combustión de acuerdo con las necesidades marcadas por el control del aire dentro del control de Figura 14: Diagramas de control de presión del hogar combustión, no existiendo una regulación de la presión del hogar, la cual es función de la carga y existiendo una protección que dispara el combustible al superar un valor determinado de presión. Otras calderas trabajan con hogares en depresión respecto a la atmosférica. En este caso se utilizan, además de los ventiladores de tiro forzado que suministran el aire de combustión, otos ventiladores, llamados de tiro inducido, situados después del hogar y que aspiran los humos originados en él. En este tipo de hogares es necesario controlar la presión en un valor fijo e independiente de la carga actuando sobre las compuertas de aspiración de los ventiladores de tiro inducido. La figura 14a se corresponde con un sistema de control de presión clásico de un elemento, mientras que la figura 14b se complementa con una señal de anticipación que suele 15

18 ser la misma que va a los ventiladores de tiro forzado CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR CON PROTECCIÓN CONTRA IMPLOSIONES Presiones muy por debajo de la atmosférica, pueden originar una implosión del hogar con los daños consiguientes para la instalación. La causa más frecuente de una situación de este tipo, Figura 15: Diagrama de control de la presión del hogar con protección contra implosiones es un disparo de combustible que produce una brusca disminución de la temperatura de los gases que hay en el hogar, y como consecuencia, una gran caída de presión. Este efecto puede paliarse reduciendo la aspiración de los ventiladores de tiro inducido en proporción al caudal de humos 16

19 existente en el momento del disparo. Una disposición posible es la de la figura 15 en la que la demanda de presión de los ventiladores de tiro forzado, además de utilizarse como anticipación en el lazo de control durante la operación normal, se emplea como señal representativa de la carga y por tanto de dicho caudal de humos y a través de una función determinada y del número de ventiladores inducidos en servicio, originan, en el momento de la pérdida de combustible, una disminución de su aspiración y un posterior aumento hasta el valor original. La señal que produce estos efectos se introduce en el control después de las estaciones selectoras de mando, Figura 16: Respuesta de la presión de un hogar ante un disparo de combustible por lo oque puede tener efecto aun en el caso de que el control se encuentre en manual. En la figura 16 se representa la disminución de la presión, en un hogar de carbón pulverizado, que sigue a un disparo de combustible. La curva para el caso de control sin protección se representa en trazo grueso mientras que la correspondiente a un control con protección se representa en tazo fino CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN El objetivo del control del caudal de agua de alimentación es el de establecer un equilibrio entre la cantidad de vapor que sale de la caldera y la cantidad de agua que entra. Una medida de este equilibrio en las calderas de recirculación, es el nivel del calderín, que debe mantenerse constante. Instintivamente parece que dicho nivel disminuirá transitoriamente cuando aumente el caudal de vapor, sin que el caudal de agua haya tenido tiempo para aumentar. Del mismo modo parecería que el nivel tiene que aumentar al disminuir el caudal de vapor, sin que el caudal de agua haya tenido tiempo para disminuir. En la práctica ocurre lo contrario: un aumento en la demanda de vapor produce una disminución transitoria de la presión de la caldera que permite una expansión del volumen de las numerosas burbujas de vapor contenidas en la mezcla agua-vapor de la zona de vaporización, haciendo que el volumen de agua-vapor aumente transitoriamente, incluso aunque disminuya el 17

20 caudal de agua de alimentación. De forma similar, una disminución en la demanda de vapor origina un aumento en la presión de la caldera que hace que se contraigan las burbujas de vapor, con lo que disminuye el volumen de la mezcla agua-vapor y el nivel disminuirá transitoriamente aunque el caudal de agua aumente. El agua de alimentación a la caldera se puede controlar a través de la medida del agua del calderín, del caudal de vapor y el caudal de agua, consiguiéndose un control más preciso utilizando los tres elementos de medición a las vez CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE UN ELEMENTO En este caso el control del agua de alimentación a la caldera se controla a través de una sola medición, la del nivel de agua del calderín. Se utiliza un solo controlador de nivel P+I que Figura 17: Control de agua de alimentación de un elemento actúa según el error y sobre el elemento final de control con acción integral, para anular el error residual propio de la acción proporcional, pero que en este caso amplifica los efectos producidos por la dilatación y contracción de las burbujas ya mencionada. En la figura 17 se representa un control de este tipo, utilizado normalmente en pequeñas calderas que trabajan con cargas muy estables. 18

21 CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE DOS ELEMENTOS Se trata de un control con señal de anticipación, en el que el nivel se mide como en el control de un solo elemento, y el caudal de vapor se emplea como señal anticipativa de la demanda de agua, haciéndole a este seguir sus variaciones. Con esta configuración, que se muestra en la figura 18 se contrarresta la tendencia a disminuir o aumentar el caudal de agua, transitoriamente, como consecuencia de la dilatación Figura 18: Diagrama de control del agua de alimentación de dos elementos o contracción del volumen de la zona de vaporización, producida por un aumento o disminución en el consumo de vapor, como ocurre con el control de un solo elemento. La realimentación de la señal de nivel permite, como en todos los casos en los que se emplea la anticipación, ajustar el caudal de agua a su valor exacto. De esta manera, de acuerdo con la demanda de caudal de vapor habrá una aportación inmediata de agua a través del controlador secundario de nivel. 19

22 CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE TRES ELEMENTOS Se puede conseguir un control más preciso utilizando tres señales de control tal como se muestra en la figura 19 Se utiliza la misma configuración de control anticipativo con realimentación utilizada en el control con dos elementos. Pero lo que en aquel caso era señal de demanda, aquí se convierte Figura 19: Diagrama de control del agua de alimentación de tres elementos en punto de consigna para comparar con el caudal de agua de alimentación. El error es la señal que va al controlador que genera la señal de control. Cuando la carga es inferior al 30 %, funciona el control con un solo elemento y cuando es superior a este valor funciona el control con tres elementos. La regulación de tres elementos elimina el fenómeno de oscilación del nivel de agua que se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rápidamente. 20

23 CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TÉRMICAS ÍNDICE DE MATERIAS 2.4. CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO. CALDERAS SIN CALDERÍN CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN CALDERAS SIN CALDERÍN CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA CALDERA DURANTE LOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJAS...32 INDICE 1

24 2.4. CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR El objeto de este control es el de mantener en un valor constante la temperatura del vapor a la salida de la caldera. Generalmente el conjunto de elementos de sobrecalentamiento en una caldera presenta una característica correspondiente a una trasmisión de calor por convección, lo que implica que el calentamiento del vapor y por tanto su temperatura de salida aumentará con la carga (más caudal de humos, más caudal de vapor). Así que será necesario un enfriamiento importante del vapor para mantener la temperatura deseada, T S, constante cuando se funcione a cargas altas, mientras que a cargas inferiores será necesario aportar calor para alcanzar dicha temperatura deseada, según se muestra en la figura 20. Figura 20: Característica de un sobrecalentador de convección El control de la temperatura se realiza mediante diferentes métodos. Los más importantes son: - Exceso de aire. - Recirculación de humos. - Partición del conducto de humos. - Quemadores inclinables. - Atemperación del vapor. Los cuatro primeros son actuaciones primarias sobre los elementos a que se refieren y el último, atemperación del vapor, es el ajuste final mediante inyección de agua. La temperatura del vapor de salida de un sobrecalentador de convección puede aumentarse, a cargas bajas, disminuyendo la absorción de calor en el hogar mediante un aumento del exceso de aire de combustión, según se puede ver en la figura 21, dado que el aire en exceso absorbería calor en el hogar y por lo tanto los humos llevarían más calor e irían a mayor velocidad, trasmitiendo más calor en las zonas convectivas del sobrecalentador y recalentador. El método de control de la temperatura del vapor mediante recirculación de humos es 21

25 muy atractivo desde el punto de vista económico y de operación. Consiste en volver a introducir en el hogar los humos de salida del economizador (normalmente). La recirculación de humos Figura 21: Modificación de la cantidad de calor en humos Figura 22: Variación de la absorción de calor por las distintas superficies con la recirculación de humos 22

26 origina una alteración en la forma en que los distintos componentes de la caldera absorben calor, sin variar a penas el calor absorbido por la caldera en conjunto. El efecto térmico producido por la recirculación depende de la cantidad de humos recirculados, del punto de reinyección en la caldera y de la carga de la misma. En la figura 22 se representan las variaciones en la absorción de calor con la recirculación introducida en la parte baja del hogar. Esta localización origina una marcada reducción en el calor absorbido por el hogar mientras que incrementa la absorción que tiene lugar en las secciones de convección. La absorción total de calor permanece prácticamente inalterada. En el caso de regulación por partición del conducto de humos, figura 23a, la trayectoria de salida de éstos se divide en dos, una de las cuales está ocupada por la superficie de calentamiento que se desea controlar. La cantidad de calor cedida en ésta, se regula mediante el movimiento de unas compuertas, que, en función de su posición, permiten una variación en la distribución de humos entre los dos conductos. Los humos que no pasan por la zona de la Figura 23: Efectos de la partición del conducto y de la inclinación de quemadores superficie que se pretende regular, pasan por la otra mitad, que al estar ocupada a su vez por otras superficies de calentamiento de vapor, se ven influenciadas necesariamente por la regulación que se pretende. El método de regulación mediante quemadores inclinables, modifica la forma en que el calor es absorbido en el hogar, ya que desplaza verticalmente la zona principal de combustión. Suele utilizarse en calderas de fuegos tangenciales, se puede ver un esquema en la figura 23b. La señal de actuación de cada uno de los elementos con los que se produce la regulación primaria de la temperatura del vapor (caudal de recirculación de humos o reparto del caudal de humos entre cada uno de los conductos en que se parte el conducto o inclinación de quemadores), se genera con una configuración en la que el regulador utiliza el error resultante de la comparación de la señal de temperatura del vapor recalentado con el set point tal como se muestra en el lazo de control de la figura 24. Es normal introducir una señal que anticipa la regulación cuando se producen variaciones en la carga, consiguiéndose este efecto mediante un 23

27 derivador situado en la conexión de la señal representativa de aquella. Cuando la señal de error alcanza un valor próximo al límite de actuación del sistema de regulación de que disponga la caldera, se permite la entrada en funcionamiento de al atemperación del recalentado. Téngase en cuenta que esta atemperación del recalentado solamente debe de ser utilizada en caso de emergencia. Para ello el limitador de máxima, cuando la señal de error alcanza un valor límite alto, genera una señal digital que deja pasar la seña de control al regulador del caudal de atemperación. Mientras no se alcance el límite alto, la señal que llega al regulador del caudal de atemperación es igual a cero. Figura 24: Diagrama del lazo de control de la regulación de la temperatura del vapor recalentado 24

28 En la figura 25 se muestra una cadena de regulación de la temperatura del vapor sobrecalentado con una configuración en cascada. La salida del controlador principal de temperatura de salida, Ts, se utiliza como set point para la temperatura de entrada, Te. El regulador auxiliar que controla esta temperatura será el que finalmente actúe sobre la válvula de atemperación. La función del lazo auxiliar es la de detectar rápidamente y compensar las perturbaciones que provienen de los elementos de sobrecalentamiento previos a la zona donde tiene lugar la regulación. Figura 25: Diagrama de control de la temperatura del vapor sobrecalentado 25

29 Además se suele introducir una señal anticipativa de la atemperación cuando se producen variaciones de carga, consiguiéndose este efecto mediante un derivador en la conexión de la señal representativa de aquella. Cuando son dos las zonas de atemperación hay que interconectar de alguna manera dos lazos de regulación similares al de la figura 25, lo que representa ciertas dificultades como, por ejemplo, mantener cada válvula de atemperación en su zona óptima de trabajo y evitar que, por Figura 26: Regulación de la temperatura del vapor sobrecalentado con puntos de consigna en función de las características del sobrecalentador 26

30 ejemplo, una esté totalmente abierta y la otra cerrada. Existen dos posibles soluciones para estas dificultades: una es que los valores de consigna de cada regulador, a excepción del que controla la temperatura de salida, se hacen en función de las características de transferencia de calor de cada sobrecalentador y otra que todos los circuitos de regulación se conectan en cascada de forma que cada uno elabora el valor de consigna del que sigue. Figura 27: Control de la temperatura del vapor sobrecalentado en cascada 27

31 Estas dos variantes se ilustran en los diagramas de las figuras 26 y 27. En la primera de ellas se representa el sistema el que los puntos de consigna son función de las características de cada sobrecalentador, pudiéndose apreciar en el diagrama de temperaturas como el sobrecalentador final presenta una característica de convección y el primario otra de radiación. Para que el consumo de agua, Q 2, de la segunda inyección se mantenga en la zona de trabajo del regulador y de la válvula, es preciso que el valor de consigna de la temperatura, T S1, antes de la inyección de agua de atemperación disminuya al aumentar la carga. Con la solución de reguladores en cascada de la figura 27, la regulación de la última Figura 28: Sistemas de control de una caldera de paso único inyección de agua se mantiene en su zona de trabajo manteniendo en un valor constante la diferencia entre las temperaturas T S1 y T S2 antes y después de dicha inyección. Esto se consigue sumando una señal fija, representativa de una temperatura determinada, por ejemplo 25 ºC, al valor de consigna de la temperatura T E2 ; la suma T E ºC será, a su vez, la consigna para la temperatura T S1. Si por ejemplo, la temperatura del vapor de salida T S2, sobrepasa su valor de consigna se inyectará más agua al atemperador con el fin de que disminuya T E2 y por tanto T S2. A su vez el punto de consigna T S1 disminuirá en la misma magnitud en que lo haga T E2 lo que obligará a 28

32 inyectar más agua, también en el atemperador SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO. CALDERAS SIN CALDERÍN En la figura 28 se representan los principales circuitos de regulación de una caldera de este tipo. Los controles de combustión de la presión del hogar y de la temperatura del vapor, son idénticos a los de las calderas con calderín. El circuito R 1 regula la presión del vapor controlando la combustión y el circuito R 2 la presión del hogar. En los circuitos de regulación interna se hace uso del mismo tipo de control para la temperatura del vapor R 3, pero el circuito R 4 que regula el caudal de agua de alimentación funciona sobre criterios distintos dada la no existencia de una medida del nivel de agua. La solución de la figura 29 es una de las más extendidas y consiste en mantener siempre una relación entre el caudal de agua de alimentación y el caudal de agua de atemperación CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN CALDERAS SIN CALDERÍN El control del agua de alimentación en este tipo de calderas se caracteriza por una ausencia del control de nivel, que en las calderas con recirculación suministra la imagen más representativa de las necesidades de agua. El criterio que se utiliza aquí como base del control es el de mantener una determinada relación entre los caudales de agua de alimentación y de atemperación. En este tipo de calderas la variación del caudal de agua de alimentación con relación a la dosificación de combustible, produce una regulación primaria de la temperatura del vapor, consiguiendose, por medio de la atemperación, corregir las desviaciones que se produzcan con relación a la temperatura deseada. Al ser el agua de atemperación la que en última instancia controla la temperatura, se dosifica el caudal de agua de alimentación para que, dada su relación respecto al combustible (carga), el vapor adquiera una temperatura tal que el agua de atemperación, que la va a ajustar al valor de consigna, se mantenga en un valor que permita a la válvula de atemperación estar en una posición óptima. En la figura 29 se muestra un esquema simplificado en el que el regulador del caudal de agua de alimentación recibe una señal de mando representativa del caudal de vapor multiplicado por un factor igual a la relación que se desea mantener entre el caudal de agua de alimentación y el caudal de agua de atemperación. De esta forma si, por ejemplo, la señal que se aplica al comparador a través del calculador de relación es del 95 % del caudal de vapor Q V existente en ese momento, el caudal de agua de alimentación Q AG será también igual al 95 %, completándose el 5 % restante con el agua de atemperación. Este sistema de regulación da generalmente resultados bastante satisfactorios, pero presenta ciertas imperfecciones durante los regímenes transitorios, imperfecciones que pueden corregirse mediante la introducción de dos señales representativas de las derivadas del caudal de vapor y de su temperatura a la salida de la zona de vaporización según se representa en la figura

33 La primera optimiza el comportamiento de la regulación en los periodos transitorios originados por variaciones de carga, mientras que la segunda proporciona una anticipación en la respuesta al detectar cambios en la temperatura debidos a alteraciones en la combustión. Otro sistema típico de regulación del caudal de agua de alimentación en las calderas sin calderín es el representado en la figura 31 y que constituye una prolongación natural del sistema de control de la temperatura del vapor de la figura 27, en el que el caudal de la última inyección se mantiene dentro del intervalo de regulación manteniendo, a su vez, constante la diferencia entre las temperaturas del vapor antes y después de ella, mediante la regulación e la atemperación anterior. Este sistema de control puede modificarse en el sentido de que sea el caudal de agua de alimentación el que mantenga constante dicha diferencia de temperatura. Figura 29: Principio de control del caudal de agua de alimentación en una caldera de paso único 30

34 En la figura 31 se ha representado un sistema con una sola inyección de agua de atemperación situada después de la zona de vaporización. El regulador del caudal de agua de alimentación recibe una señal de demanda, que es función de la carga, corregida en proporción al error entre la temperatura T E1 y su valor de consigna. En los sistemas descritos hasta aquí, el órgano final de regulación está siempre representado pos una válvula. Ahora bien, en las grandes unidades, con objeto de evitar la pérdida de carga que aquella provoca, se utilizan bombas de alimentación de velocidad variable. Figura 30: Control del caudal de agua de alimentación con señales de anticipación en calderas de paso único 31

35 3.2. CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA CALDERA DURANTE LOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJAS La regulación del agua de alimentación en las calderas de paso único, ofrece una particularidad durante los periodos de arranque y bajas cargas, consistente en el mantenimiento de una circulación de agua en el hogar en un valor mínimo de seguridad que mantenga la refrigeración del metal de los tubos, aunque la carga de la caldera sea inferior a la que Figura 31: Control del caudal de agua de alimentación en cascada con el de temperatura en una caldera de paso único 32

36 corresponde a ese caudal, Este caudal mínimo de seguridad se suele fijar entre el 30 y el 35 % del caudal nominal. La disposición del sistema de recirculación y el principio en que se basa la regulación del caudal se muestran en la figura 32 El sistema de recirculación utiliza un depósito (botellón) situado a la salida de la zona de vaporización, que permite separar el agua y el vapor que llegan a él. El agua, que se separa en el depósito, se hace circular de nuevo hacia el circuito economizador-vaporizadores mediante una bomba de recirculación y una válvula de regulación situada en la impulsión de ésta. Figura 32: Circuito de recirculación y su control de las calderas de paso único El nivel de agua en el botellón constituye el punto de consigna para el caudal de recirculación de caldera. Cuando comienza el encendido con el nivel máximo y no hay producción de vapor, el caudal a través del hogar lo suministra la bomba de recirculación con la válvula de control abierta al máximo, mientras que las bombas de agua de alimentación no aportan agua a la caldera y se mantienen recirculando sobre el desgasificador, con objeto de mantener el caudal mínimo. 33

37 Cuando comienza a producirse vapor, como las bombas de agua de alimentación no aportan agua a la caldera, el nivel del botellón baja y el control de recirculación cerrará proporcionalmente la válvula de control y el caudal de recirculación bajará también, y como consecuencia el caudal a través de los vaporizadores. En este momento será el control del caudal de agua de alimentación el que detectará esta disminución y aportará agua a la caldera hasta que la suma de agua de alimentación y la de recirculación completen el caudal mínimo. Figura 33: Relación entre los caudales de recirculación y de agua de alimentación A medida que aumenta la producción de vapor se repetirá el proceso anterior, bajará cada vez más el nivel de este depósito separador, con lo que la recirculación cada vez será menor y esto hará aumentar el aporte de agua de alimentación a la caldera, llegando un momento que la recirculación sea nula. Esto provocará la parada de la bomba, y todo el aporte de agua se realizará mediante las bombas de agua de alimentación. 34

38 CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS SISTEMAS DE CONTROL DE LAS TURBINAS DE VAPOR UTILIZADAS EN CENTRALES TÉRMICAS ÍNDICE DE MATERIAS 4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGA REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA, DE TRANSMISIÓN MECÁNICA REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA DE TRANSMISIÓN MECÁNICA-HIDRÁULICA. CORREDERA DE DISTRIBUCIÓN REGULACIÓN SECUNDARIA. DISPOSITIVO DE AJUSTE DE VELOCIDAD REGULADOR HIDRÁULICO REGULADORES ELÉCTRICOS...43 INDICE 1

39 SISTEMAS DE CONTROL DE LAS TURBINAS DE VAPOR UTILIZADAS EN CENTRALES TÉRMICAS 4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA Una turbina de vapor se mueve impulsada por el vapor producido en una caldera. La expansión del vapor hace girar el rotor de la turbina transmitiéndole una potencia. La turbina va acoplada mecánicamente a un generador, que transforma en potencia eléctrica, la recibida de la turbina. Figura 34: Ejemplo de simulación de carga y descarga de una turbina Según esto, existe siempre un equilibrio entre, la potencia eléctrica del generador más las pérdidas, con la potencia aportada por el vapor a la turbina. Este equilibrio se mantiene por medio de las válvulas de regulación, las cuales, dejan pasar más o menos vapor a la turbina según su apertura. 35

40 La misión de la regulación de una turbina consiste en posicionar las válvulas de regulación (las cuales dejan pasar más o menos vapor según su apertura) de acuerdo con la demanda de energía eléctrica, para lo cual se utiliza la variación del número de revoluciones como señal primaria de regulación. Hay un intervalo de variación del número de revoluciones que se corresponde con el recorrido total de la válvula de regulación y en condiciones normales, supone solamente un pequeño porcentaje del número de revoluciones nominal. Supongamos que el generador accionado por la turbina suministra energía eléctrica a un sistema, él sólo, estando sometido a la totalidad de las variaciones de la demanda. En la figura 34 se ha representado el generador por un disco. El disco puede frenarse más o menos mediante zapatas bajo la presión de un muelle y el grupo turbina-disco adquiere una determinada velocidad de rotación (por ejemplo la nominal) al ser arrastrado por la turbina accionada por vapor. Cuando se aflojan las zapatas del freno la energía demandada disminuye por lo que se produce un aumento de velocidad, y el sistema de control debe de responder posicionando la válvula de regulación del caudal de vapor más cerrada, de manera que se suministre la potencia solicitada y mantenga la velocidad nominal. Si se frena el disco aumentando la presión del muelle, aumenta la demanda de potencia y disminuye el número de revoluciones, en cuyo caso el sistema de control debe de responder Figura 35: Disposición esquemática de un regulador centrífugo mecánico de transmisión mecánica posicionando la válvula de regulación del caudal de vapor más abierta, de manera que se suministre la potencia solicitada y se mantenga la velocidad nominal. El disco que hemos descrito anteriormente, provisto de zapatas de freno y accionado por la turbina, se puede sustituir por un alternador. En este caso la función de las zapatas del freno la desempeñan los motores que toman energía del sistema, los cuales al ser conectados y desconectados, producen la variación de la carga del grupo. La posición de las válvulas de regulación y el caudal de vapor tienen que adaptarse a las variaciones de carga. En este caso especial la turbina no puede cargarse y descargarse por adelantado sino que la carga o descarga se deben hacer después de realizadas las maniobras de los motores. Aprovechando el hecho de que la variación de carga del generador, tiene como 36

41 consecuencia una variación del número de revoluciones, con objeto de automatizar la regulación, parece conveniente acoplar el accionamiento de las válvulas de regulación con esta variación de velocidad. Con este fin se desarrolló el regulador de fuerza centrífuga representado en la figura 35. Los reguladores empleados actualmente, difieren constructivamente del regulador de fuerza centrífuga original, pero se conserva, sin embargo, el principio fundamental, que relaciona la posición de la válvula de regulación con la variación del número de revoluciones. Para el control de turbina se pueden emplear distintos tipos de reguladores: de fuerza Figura 36: Curvas de estatismo de un regulador centrífugo centrífuga (mecánicos e hidráulicos) y eléctricos REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGA Los reguladores de fuerza centrífuga pueden ser mecánicos o hidráulicos y transmitir su acción al elemento final (válvula de vapor) por medios mecánicos, por medios mecánicohidráulicos y por medios hidráulicos REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA, DE TRANSMISIÓN MECÁNICA El regulador mecánico de fuerza centrífuga, es un regulador, basado en un equilibrio entre la fuerza centrífuga desarrollada por dos masas al girar y la que opone un resorte que se comprime. Tan como se muestra en la figura 35 está compuesto, básicamente de un husillo (8) que lleva montados dos pesos centrífugos (2). Este husillo va acoplado al eje de la turbina (6) a través de un engranaje helicoidal (7). Cuando el husillo gira accionado por el eje de la turbina, los pesos (2) se desplazan hacia fuera por efecto de la fuerza centrífuga y se elevan comprimiendo el muelle (1). El regulador trabaja elevando el manguito (9) cuando aumenta la velocidad y descendiendo cuando disminuye. 37