En este artículo se pretende explicar el control de
demanda de una caldera acuotubular, es decir, calderas en las que el agua
circula en un circuito cerrado por el interior de unos tubos. Estos tubos constituyen
la superficie de intercambio de calor de la caldera. El vapor se produce en el
calderín de vapor.
En esta definición están, entre muchas otras, las
calderas
paquete, así como las de recuperación de calor.
Nota: En los siguientes dibujos se muestran dos modelos antiguos de calderas de Foster Wheeler (serie SC y serie500).
Los principales lazos de control que podemos observar en
cualquier caldera de tipo acuotubular son:
– Control de nivel en el calderín.
– Control de combustión (combustible-aire).
– Control de temperatura del vapor.
– Control de demanda.
De todos estos controles he decidido escribir este
artículo sobre el control de demanda, debido a que es el control mediante el
cual el proceso selecciona una determinada carga de la caldera en función de
las necesidades de vapor que tenga.
Existe mucha literatura sobre el control de nivel del
calderín y sobre el control de combustión (control de límites cruzados), pero
no tanto sobre el control de demanda. En definitiva, este control es requerido para
conseguir que la producción de vapor sea igual a las necesidades de vapor del
proceso.
Una buena forma de describir los lazos de control debido
a que resulta muy intuitivo es la representación SAMA. Muchos de los lectores
de INGENIERÍA QUÍMICA ya conocerán esta representación.
La simbología SAMA es
muy utilizada, no solo en las normas ANSI/ISA, sino en numerosa documentación
de vendedores de sistemas de control para describir distintos esquemas de
control. Las estándar SAMA datan de 1981, y las siglas responden a “Scientific
Apparatus Makers Association”. Conviene repasar esta nomenclatura para poder
entender los diagramas que se van a mostrar a continuación.
En el siguiente dibujo se
puede observar un controlador con simbología SAMA.
A continuación se resume el
significado de los símbolos más importantes.
Antes de estudiar el control de demanda, conviene
saber en dónde actúa la salida de este control en el lazo de control de
combustión. La señal de salida del control de demanda se entrega al control de
combustión a los selectores de mínima y máxima, según se muestra en el siguiente dibujo.
Aunque el análisis de este control no forma parte de este artículo, conviene
reseñar que los selectores de mínimo y máximo se encargan de reducir el aporte
de combustible antes de reducir el aire en caso de bajada de carga y de
aumentar el aire antes que aumentar el combustible en caso de aumento de carga.
De esta forma nunca permite que haya defecto de oxígeno que de lugar a
inquemados en el hogar. En definitiva, el control de combustión garantiza una
combustión segura y económica. Existen varias posibilidades de desarrollar un
control de demanda:
1. Control en lazo abierto
Este control, también llamado “feedforward”, consiste en
asociar directamente una demanda determinada para cada caudal de vapor medido
mediante la programación de una curva que relaciona ambas. La respuesta de este
lazo de control, si bien es rápida, depende de la
precisión de la curva programada. El gran inconveniente es que las condiciones de
la caldera no siempre son las mismas que cuando se configuró la curva, y ésto
produce un error en el comportamiento de este control.
2. Control de demanda en lazo cerrado a un elemento
Este control, también llamado
“feedback”, utiliza la medición de presión de vapor para relacionar el
suministro de vapor a la demanda o necesidad de vapor del proceso.
Este control
es sencillo e intuitivo.
A medida que el proceso demanda más vapor, la presión
de vapor en el colector de salida disminuye, demandando más producción de vapor
a la caldera.
De la misma forma, si la presión de vapor en el colector de
salida aumenta, el controlador demanda menos carga a la caldera. El control de
demanda a un elemento mejora en mucho las prestaciones del control en lazo
abierto. Responde bien en aquellos casos en los que el consumo de vapor del
proceso es estable, es decir, no requiere variaciones de caudal rápidas. Por el
contrario, en procesos donde el consumo de vapor varía significativamente de
forma rápida, este control es lento. Esto es debido a que el controlador, para
tomar una acción correctiva, requiere que exista una desviación entre el punto
de consigna y la variable controlada, en este caso la presión de vapor. Esto
sucede un tiempo después de que el caudal de vapor haya sufrido una variación.
Un
caso de procesos donde este control no responde lo suficientemente bien es en
procesos por lotes (tipo batch), donde la apertura de una válvula puede suponer
un aumento de hasta el 10% en la demanda de vapor.
Este control es válido en
procesos de una caldera que alimenta a una turbina de vapor, siempre y cuando la
configuración sea “turbina sigue a caldera”, es decir, es la turbina de vapor la
que adapta su carga en función de la producción de vapor de la caldera.
En
casos de configuración “caldera sigue a turbina”, es decir, la caldera regula
su producción en función de la carga que se ha seleccionado para la turbina,
este control tampoco es suficiente.
3. Control de demanda en lazo cerrado a dos elementos
En los dos casos indicados anteriormente, en los que el
control a un elemento no es suficiente, la solución es aplicar este control,
también llamado “feedback + feedforward”.
Este
control utiliza un llamado “índice de carga”, que se suma a la señal de salida
del controlador de presión para entregar la señal de salida de demanda. Este
índice puede ser el caudal de vapor.
Este control añade la ventaja de rapidez
del control en lazo abierto sin estar penalizado el hecho de tener que depender
de una curva caudal de vapor/demanda que puede no cumplirse.
La señal de
demanda se posiciona de acuerdo a la curva programada, a la que posteriormente el
controlador realiza ajustes, incrementando o disminuyendo la señal. En el caso
ideal de que el proceso respondiera exactamente igual que la curva programada,
el factor de corrección del controlador sería nulo.
Existen controles de demanda para los casos de varias
calderas conectadas a un mismo colector. Estos controles están basados en los
mismos criterios expuestos anteriormente, introduciendo el concepto de control
maestro de planta (plant master). Este tipo de controles queda fuera del
alcance de este artículo.
En
resumen, un buen control de demanda debe maximizar el rendimiento y optimizar
los costes de operación de la caldera.
Artículo elaborado por: D. Espinos Palenque
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InstrumentacionHoy@gmail.com
26/01/2015
