2. NIVEL DE AGUA DE UNA CALDERA
3. MEDIDA POR PRESIÓN DIFERENCIAL
4. ERROR EN LA MEDIDA
5. CÁLCULO DE LA DENSIDADES
6. ESPONJAMIENTO DE LAS CALDERAS
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COMPENSACIÓN
DEL NIVEL EN UNA CALDERA DE VAPOR
1. INTRODUCCIÓN
Para poder llegar a optimizar este lazo, el primer paso es disponer de una medida lo más exacta y precisa posible del nivel de agua disponible.
2. NIVEL DE AGUA DE UNA CALDERA
En función del tamaño y tipo
de caldera, los requisitos en la medida de nivel del calderín, serán más o menos
estrictos.
Por ejemplo, en una caldera grande
como las utilizadas en los ciclos, se requeriría:
-Dos indicaciones locales
del nivel conectadas directamente al tanque.
Colocaremos un indicador a
cada lado de la caldera para así poder comprobar que la caldera está
correctamente nivelada, cuando esté fría y cuando esté caliente.
-Se pueden instalar dos
“Standpipes” (o tubo tranquilizador) a cada lado del calderín, en los que
realizaremos los picajes para los transmisores de nivel.
Nota: No siempre se instalan
“standpipes” algunos prefieren realizar las tomas directamente del calderín.
-En todas las tomas realizadas
en los “standpipes”, se instalará siempre doble válvula manual de al menos ¾”.
A partir de la segunda válvula se montará todo el “tubing” y accesorios
necesarios para el montaje del nivel.
-Podemos instalar varios
medidores de nivel que serán cableados directamente al sistema de seguridad. La
función de estos medidores será exclusivamente, la de disparar la caldera en
caso de alto o bajo nivel. La medida de estos transmisores, nunca será
corregida como veremos más adelante, su valor debe interpretarse tal cual se
lee.
Por ejemplo en una caldera
grande recomendaríamos instalar tres transmisores, cableados directamente al
sistema de seguridad. (Se recomienda realizar lógica dos de tres, con las alarmas
de alto o bajo nivel generadas por estos transmisores)
-Por otro lado se debe
instalar otro transmisor, totalmente independiente a los anteriores, dedicado
al control de los lazos de la caldera.
Con la medida de este
transmisor representaremos en el SCADA el nivel de nla cadera.
Como veremos más adelante, esta
medida debe ser corregida para poder obtener un valor más preciso.
-Además de los transmisores
de nivel se puede instalar 4 transmisores de presión, de los cuales podríamos
cablear tres al sistema de seguridad y el otro al sistema de control.
A través del transmisor de
presión conectado al sistema de control podremos corregir el valor del nivel.
3. MEDIDA POR PRESIÓN DIFERENCIAL
Antes de explicar las
peculiaridades de la medida de nivel de un calderín, debemos entender como se
mide el nivel en un tanque presurizado.
La medida con “Presión Diferencial” es de los métodos
más usado en la medida de nivel de un depósito presurizado.
A través de un transmisor de
presión diferencial, medimos la columna de agua que hay sobre cada una de las
tomas.
Una de las tomas es fija y
será de referencia, mientras que la otra toma (toma de medida) variará en
función de la columna de agua que tenga encima en cada momento.
La diferencia de presión entre
cada una de las tomas nos indicará la altura de agua que disponemos.
Según el dibujo anterior:
La
distancia “X”: es la longitud que queremos.
La
presión (P1) será igual a: Presión (P3) más la altura de la
columna de agua en dicha toma (X+Z) por la densidad del agua (G).
(P1)= (P3) + [ (X+ Z) x (G) ]
La
presión (P2) será igual a: Presión (P4) más la altura de la
columna de agua en dicha toma (Y+Z) por la densidad del agua (G)
(P2)= (P4) + [ (Y+Z) x (G) ]
“La
medida del transmisor de presión diferencial será”:
(P2) - (P1) = [(P4)+ [ (X+Z) x (G) ]] – [(P3) + [ (Y+Z) x (G) ]]
Si donde no hay agua solo
tenemos gas inerte (nitrógeno) podríamos despreciar la densidad del gas y
considerar P3=P4, por lo que:
El valor medido por el
transmisor es igual a (P2) menos (P1).
“Valor Medido” = (P2) - (P1)
= [ (X+Z) x (G) ] - [ (Y+Z) x (G) ] = [ (X) x (G) ] – [ (Y) x (G) ]
El valor de “Z”, (la
distancia entre el mínimo del tanque y donde realmente se instala el
transmisor) no afecta a la medida de presión diferencial, un tramo siempre
anula al otro.
4. ERROR EN LA MEDIDA
Pero la eterna pregunta es:
¿Porqué
mi medidor de presión diferencial empieza a desviarse de la medida correcta
según la caldera empieza a calentar?
Si viéramos el interior de
de nuestro “standpipe” cuando la caldera está funcionando, veríamos que el
nivel del “standpipe” está más bajo que el nivel de la caldera.
Esta diferencia de altura se
debe a que el agua dentro de la caldera estará a una temperatura muy elevada
(el punto de saturación a la presión de la caldera), sin embargo a medida que
nos alejamos de la caldera el agua se enfriará, por lo que el agua estará más
fría en el “standpipe”, y aún más fría en el pote y en el tubing del transmisor. El agua caliente tiene una
densidad más baja que el agua fría; por lo que a medida que la caldera va
calentando, el nivel real de la caldera estará cada vez más alto con respecto
al nivel del “standpipe”.
¿Cómo
corregir esta desviación?
Si volvemos al esquema del
medidor tenemos el siguiente dibujo:
Según este dibujo queremos
calcular el valor de “X” que
corresponde al nivel real de agua que tenemos en el calderín.
Nota: Como vimos en el apartado 3 se puede despreciar el valor de “Z” al ser un valor constante que quedará
anulado al restar P2-P1, en base a esto, realizaremos los cálculos con la
presión en los puntos (P1’) y (P2’).
La
presión (P1’) será igual a: Presión (P3) más la altura de la
columna de agua en dicha toma (X) por la densidad del agua caliente que está
dentro de la caldera (G caliente).
(P1’)= (P3) + [ (X) x (G caliente) ]
La
presión (P2’) será igual a: Presión (P4) más la altura de la
columna de agua en dicha toma (Y) por la densidad del agua (G fría)
(P2’)= (P4) + [ (Y+Z) x (G)
]
Ahora en esta ocasión, no
podemos considerar que la presión en “P3” sea igual a la presión en “P4”; esto
es debido a que el vapor del agua tendrá una densidad que no puede ser
despreciada y será cada vez mayor a medida que aumenta la presión en la
caldera.
En
este caso la presión P3 será igual a: Presión (P4) más la altura
de vapor (Y-X) por la densidad del vapor (G vapor)
(P3)= (P4) + [ (Y - X) x (G
vapor) ]
“La
medida del transmisor de presión diferencial será”: (P2’)
- (P1’).
“Valor Medido” = (P2’) -
(P1’)
(P1’)= (P3) + [ (X) x (G
caliente) ]
(P2’)= (P4) + [ (Y) x (G
fría) ]
(P3)= (P4) + [ (Y - X) x (G
vapor) ]
“Valor Medido” = (P2’) - (P1’)
“Valor Medido” = (P4) + [
(Y) x (G fría) ] - [ (P3) + [ (X) x (G caliente) ] ]
“Valor Medido” = (P4) + [
(Y) x (G fría) ]- [ [(P4) + [ (Y - X) x (G vapor) ]] + [ (X) x (G caliente) ] ]
Lo que nos da el siguiente
resultado:
Formula
final: “Valor Medido” = (Y) x (G fría) - (Y
- X) x (G vapor) - (X) x (G caliente)
Nota: De la fórmula podemos despejar
“X” (el nivel del calderín) y estimar el resto de las variables.
Resumen
de las variables de la fórmula:
1º-“Valor
Medido” à Es
el valor que nos indicará el transmisor de presión diferencial
2º-(Y)
à
Longitud entre el pote y el mínimo nivel que vamos a medir, esto será un
constante que sabremos un vez montado el equipo.
3º-(G
fría) à
Densidad del agua que está en el pote y en el tubing
4º-(X)
à Altura
de agua del calderín (Este es el valor que queremos calcular)
5º-
G vapor à Densidad
del vapor
6º-
G caliente à Densidad
del agua caliente
5. CÁLCULO DE LA DENSIDADES
En base a la fórmula antes
calculada:
“Valor
Medido” = (Y) x (G fría) -
(Y - X) x (G vapor) - (X) x (G caliente)
Para una óptima corrección del nivel se requiere de calcular las densidades del agua en cada uno de los caso.
-Densidad
del agua del pote: El agua del pote, estará mucho más fría que
el agua de la caldera, su temperatura estará muy lejos de la saturación y su
densidad apenas sufrirá una variación significativa; por todo esto podemos
considerar un valor conste. Por ejemplo la densidad del agua a 50ºC en la
presión normal de operación de la caldera (90 bar) la densidad sería 9991,881 kg/m3
-Densidad
del agua del vapor y densidad del agua de la caldera: Para
el cálculo de los valores de la densidad del agua y de la densidad del vapor, se
utiliza el valor que nos indica un transmisor de presión instalado en el calderín.
Normalmente para saber la
densidad de un fluido es necesario saber la presión y la temperatura. Pero en
este caso la medida de temperatura es una variable lenta para nuestro lazo de
control de nivel, sin embargo el transmisor de presión nos indicará rápidamente
cualquier cambio en la medida.
Como dentro de la caldera estamos
en condiciones de saturación, la temperatura del agua y del vapor siempre será
la temperatura de saturación a la presión medida.
En la siguiente tabla se
pueden ver los diferentes valores de densidad y temperatura que iremos teniendo
en nuestra caldera hasta obtener los 90 bares.
6. ESPONJAMIENTO DE LAS CALDERAS
Como curiosidad final de este artículo, hablaremos del esponjamiento de las calderas.
El esponjamiento del agua, es un efecto que dura poco tiempo y que se da en algunas calderas, cuando se provoca un incremento brusco de la demanda del vapor.
En las calderas de vapor, el líquido convive con el vapor, estando ambos a un paso de cambiar de estado.
En algunas ocasiones las calderas pueden sufrir un incremento brusco de demanda de vapor (por ejemplo en una planta de energía que se abra el by-pass de turbina).
Al aumentar bruscamente el caudal de vapor, es lógico pensar que si no aportamos más agua, rápidamente bajará el nivel de agua en el calderín.
Sin embargo la caldera nos engañará, porque el nivel en ese momento no bajará si no que subirá bruscamente.
Esto es lo que se llama esponjamiento del agua de la caldera.
En estas condiciones el agua al sufrir una depresión brusca, se esponja ocupando más volumen de lo normal. Poco después el nivel se recuperará y se podrá ver que efectivamente el nivel es inferior al de antes del esponjamiento.
Este efecto es muy perjudicial para el PID que controla las calderas, ya que por un momento hay un brusco cambio del nivel medido en el sentido contrario de lo que está sucediendo (vemos más nivel cuando realmente hay menos).
Los programadores de calderas tiene muy en cuenta todos estos efectos y saben configurar los valores de Derivada, Integral y Proporcional de cada PID alternando con varias filosofías de control a 2 y 3 elementos, para que el control se mantenga estable incluso cuando el esponjamiento intenta engañar.
Nota: Lo cierto es que, yo personalmente nunca había entendido completamente por qué un medidor de presión diferencial le afecta el esponjamiento de la caldera.
La teoría es que en la caldera, una cantidad determinada de agua pasa durante un breve tiempo a ocupar más volumen... y yo pensaba... muy bien, pero el medidor de presión diferencial, que más le da, si lo que realmente hace es pesar el agua.
¡A la medida de presión diferencial, no le debería afectar el volumen del agua!
Si antes 1kg de agua, ocupaba un volumen de 1litro, y eso por ejemplo generaba en el transmisor una presión diferencial de 0,01bar.
Si el agua se esponja y provoca que lo que antes era un litro ahora ocupe por ejemplo 1,25 litros, seguirá habiendo una 1kg de agua y la misma presión diferencial de antes (0,01bar).
En resumen: ¿Por qué el esponjamiento afecta a la medida de presión diferencial?
Un día un Instrumentista de técnicas reunidas me dio una respuesta bastante convincente.
Me expuso que el esponjamiento no se daba sólo en el calderín de la caldera. Sino que se daba también en todos los tubos del intercambiador debajo del calderín.
Si el esponjamiento no es sólo del calderín, al esponjarse todo el agua contenida en los tubos, realmente durante un breve tiempo en el calderín no sólo se produce un incremento del volumen de agua, también se produce un incremento de la cantidad de agua (entra más agua que antes estaba alojada en los tubos), y esto explicaría que el valor medido por el transmisor de presión diferencial aumente durante la inestabilidad.
El esponjamiento del agua, es un efecto que dura poco tiempo y que se da en algunas calderas, cuando se provoca un incremento brusco de la demanda del vapor.
En las calderas de vapor, el líquido convive con el vapor, estando ambos a un paso de cambiar de estado.
En algunas ocasiones las calderas pueden sufrir un incremento brusco de demanda de vapor (por ejemplo en una planta de energía que se abra el by-pass de turbina).
Al aumentar bruscamente el caudal de vapor, es lógico pensar que si no aportamos más agua, rápidamente bajará el nivel de agua en el calderín.
Sin embargo la caldera nos engañará, porque el nivel en ese momento no bajará si no que subirá bruscamente.
Esto es lo que se llama esponjamiento del agua de la caldera.
En estas condiciones el agua al sufrir una depresión brusca, se esponja ocupando más volumen de lo normal. Poco después el nivel se recuperará y se podrá ver que efectivamente el nivel es inferior al de antes del esponjamiento.
Este efecto es muy perjudicial para el PID que controla las calderas, ya que por un momento hay un brusco cambio del nivel medido en el sentido contrario de lo que está sucediendo (vemos más nivel cuando realmente hay menos).
Los programadores de calderas tiene muy en cuenta todos estos efectos y saben configurar los valores de Derivada, Integral y Proporcional de cada PID alternando con varias filosofías de control a 2 y 3 elementos, para que el control se mantenga estable incluso cuando el esponjamiento intenta engañar.
Nota: Lo cierto es que, yo personalmente nunca había entendido completamente por qué un medidor de presión diferencial le afecta el esponjamiento de la caldera.
La teoría es que en la caldera, una cantidad determinada de agua pasa durante un breve tiempo a ocupar más volumen... y yo pensaba... muy bien, pero el medidor de presión diferencial, que más le da, si lo que realmente hace es pesar el agua.
¡A la medida de presión diferencial, no le debería afectar el volumen del agua!
Si antes 1kg de agua, ocupaba un volumen de 1litro, y eso por ejemplo generaba en el transmisor una presión diferencial de 0,01bar.
Si el agua se esponja y provoca que lo que antes era un litro ahora ocupe por ejemplo 1,25 litros, seguirá habiendo una 1kg de agua y la misma presión diferencial de antes (0,01bar).
En resumen: ¿Por qué el esponjamiento afecta a la medida de presión diferencial?
Un día un Instrumentista de técnicas reunidas me dio una respuesta bastante convincente.
Me expuso que el esponjamiento no se daba sólo en el calderín de la caldera. Sino que se daba también en todos los tubos del intercambiador debajo del calderín.
Si el esponjamiento no es sólo del calderín, al esponjarse todo el agua contenida en los tubos, realmente durante un breve tiempo en el calderín no sólo se produce un incremento del volumen de agua, también se produce un incremento de la cantidad de agua (entra más agua que antes estaba alojada en los tubos), y esto explicaría que el valor medido por el transmisor de presión diferencial aumente durante la inestabilidad.
Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com
05/02/2015 Julio C.F.L
