Al final, no os preguntarán qué habéis sabido, sino qué habéis hecho (Jean de Gerson)

CONTROL DE DEMANDA EN UNA CALDERA

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).

caldera de Foster Wheeler

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.

Simbología SAMA

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.

control combustión caldera

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
lazo abierto caldera

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
control lazo cerrado caldera

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

control demanda de caldera

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




Si tienes algo que corregir o añadir agradecería que me mandaras tus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com
26/01/2015

1 comentario:

  1. Creo que este enlace resulta interesante para este tema:
    https://es.scribd.com/document/380995117/Curso-ISA-CONTROL-CALDERAS-DE-VAPOR-pdf

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