CONTROL DE NIVEL EN UNA CALDERA DE VAPOR ACUOTUBULAR 1. Busc Buscar ar en Inte Intern rnet et,, libr libros os,, revi revist stas as o co! co!a" a"#a #as s $abr $abric ican ante tes, s, la in$oraci%n re&ueri'a !ara reali(ar el traba)o. Hemos incluido incluido al fnal del trabajo trabajo la lista de sitios web encontrados encontrados,, libros libros utilizados y reerencias usadas para el trabajo.
*. Desc Descri ribi birr el !roc !roces eso, o, un uni' i'a' a'es es !ro' !ro'uc ucti tiva vas, s, e&ui e&ui!o !os s usa' usa'os os,, aterias !rias, etc. *.1. *.1. Descr Descri!c i!ci% i%n n 'el 'el !roces !roceso+ o+ Las calderas acuotubulares trabajan con el principio de circulación de agua. El agua de alimentación ría se introduce en el calderín de vapor y baja por los tubos descendentes asta el calderín de lodos, debido a !ue tien tiene e una una dens densid idad ad supe superi rior or a la del del agua agua ca cali lien ente te.. "u dens densid idad ad disminuye cuando pasa por el tubo de subida #vaporizadores$, donde se calienta ormando burbujas de vapor. El agua caliente y las burbujas de vapor pasan al calderín de vapor una vez m%s, donde el vapor se separa del agua. "in embargo, cuando la presión en la caldera acuotubular aumenta, se reduce la dierencia entre la densidad del agua y el vapor saturado, por consiguiente ay menos circulación.
ra-co N1+ Es&uea 'e una cal'era acuotubular acuotubular 'e va!or satura'o / sobrecalenta'o &omo se ve en el grafco el agua lí!uida entra al economizador #'$, donde se calienta asta una temperatura pró(ima a la de saturación
#)$, se introduce en el calderín y desciende por los tubos de riego #*+*$ asta el colector #tambor de lodos$ inerior, distribuy-ndose acia los tubos vaporizadores, donde se orman las burbujas de vapor #+/$ !ue a su vez se separan en el calderín de vapor #0$. El vapor saturado #1$ puede calentarse por encima de su temperatura de saturación en el sobrecalentador #2$. La circulación del agua por los tubos de bajada y de subida #vaporizadores$ se da por convección natural, debido a la dierencia de densidades entre el agua de alimentación y el agua caliente #contenidos en los tubos ascendentes$.
*.*. E&ui!o usa'o en la o!eraci%n.
ra-co N*+ Partes 'e una cal'era acuotubular 'e va!or satura'o / sobrecalenta'o 3na caldera acuotubular est% constituida por las siguientes partes4
TA0BOR DE VAPOR+ Es el lugar donde el agua y el vapor se separan. 5!uí se encuentra la entrada de agua de alimentación, la cual entra bajo control de nivel. 6odos los tubos de 7ujo ascendente y descendente van acoplados a este tambor. E(iste tambi-n una salida de vapor acia el sistema de proceso o a un sobrecalentador. En el tambor de vapor se instalan v%lvulas de alivio o de escape para proteger al sistema. El m-todo de separación del agua y del vapor es el mismo en la mayoría de las calderas y se lleva a cabo en un separador mec%nico o en un separador ciclónico. La mezcla de vapor y de agua procedente del az ascendente se dirige al separador ciclónico por medio de una placa de7ectora. La uerza centríuga en el ciclón separa las gotas de agua, y el vapor sale del ciclón y pasa a trav-s de m%s separadores asta !ue se tiene vapor relativamente seco para uso en las unidades de proceso.
TA0BOR DE LODO+ Los tambores de lodos son los cabezales de recolección en el ondo de los aces de tubos ascendentes y
descendentes. 8e estos tambores de lodos se e(trae la purga. La purga es el lí!uido !ue se e(trae de la caldera para mantener baja la concentración de sólidos en el agua de la caldera. 9ormalmente ay dos corrientes de purga, una es una purga continua de una cantidad fja de agua, la otra es intermitente. La purga intermitente se ajusta para mantener el agua de calderas dentro de la especifcación de sólidos disueltos !ue se estipule.
VENTILADOR+ "on los encargados de suministrar el aire para la combustión en las calderas de tiro orzado y de sacar los gases desde el ogar acia la cimenea en las calderas de tiro inducido. 8eben tener una capacidad superior en un '/: al 7ujo a m%(ima carga para suplir las perdidas por ensuciamiento de la caldera, disminución de la calidad del combustible o desgaste de los mismos ventiladores. CALENTADOR DE AIRE+ Es un intercambiador generalmente con vapor de baja presión !ue se condensa y retorna al sistema como agua de alimentación. La temperatura normal del aire entrando al calentador de aire debe estar entre ';<= y '10<=. ECONO0I2ADOR+ Es la parte de la caldera donde por intercambio de temperatura entre los gases de combustión y el agua de caldera se le baja temperatura a los gases de combustión y se le incrementa al agua de caldera para economizar combustible en el proceso de producir vapor y a su vez minimizar el impacto ambiental por!ue evitamos el aumento de la temperatura del medio ambiente. El economizador puede estar situado dentro de la caldera, como parte de la zona de convección, o puede ser e(terno donde por razones de espacio no se puede aplicar el arreglo anterior.
3OAR DE LA CALDERA+ Est% constituido por una serie de tubos !ue orman las llamadas paredes de agua !ue le dan la orma y encierran la zona radiante de la caldera pues allí el calor es transmitido principalmente por radiación. "eg>n la colocación de los !uemadores el ogar de la caldera puede ser4 ?5@5LELAB &uando los !uemadores est%n colocados en rente de los tubos de la caldera. 63@C3LE96AB &uando los !uemadores est%n ubicados en las es!uinas e inyectan el combustible en orma tangencial. Este tipo de ornos es ideal para la !uema de carbón pues orece mayor turbulencia y mejor mezcla aireDcombustible. El ogar de la caldera debe cumplir b%sicamente con los siguientes re!uisitos4 6ener capacidad para admitir el volumen de aire necesario para la combustión. 6ener sufciente altura para asegurar circulación adecuada de agua por los tubos. 6ener dimensión sufciente para evitar !ue la llama ata!ue las paredes de tubos. •
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6ener orma y dimensiones adecuadas para asegurar !ue los gases llene el ogar proporcionando absorción t-rmica optima en todas las partes.
4UE0ADORE+ "on los elementos de la caldera encargados de suministrar y acondicionar el combustible para mezclarlo con el aire y obtener una buena combustión. 8eben producir una llama estable y uniorme de manera !ue se realice una cierta distribución en el ogar. Los !uemadores de gas son perorados y por sus orifcios el gas debe salir a una velocidad mayor !ue la del aire para asegurar una penetración integra del corro de aire. TUBO DECENDENTE+ Los !ue bajan el agua m%s densa del tambor de vapor al tambor de lodos. TUBO ACENDENTE+ "on los tubos por donde sube el agua !ue a perdido densidad y va al tambor de vapor. OBRECALENTADOR+ Es un e!uipo !ue orece una superfcie de absorción de calor por medio de la cual se eleva la temperatura del vapor por encima de su punto de saturación. Entre las principales razones para realizar este trabajo tenemos4 • • •
"e aumenta la efciencia total de la unidad. "e aumenta la ganancia termodin%mica del vapor. "e obtiene un vapor m%s seco.
C3I0ENEA+ &onducto por donde salen los gases de combustión. ACCEORIO ALTERNATIVO DE LA CALDERA %lvulas de seguridad. %lvulas de aguja o de purga. %lvulas de control. %lvulas de corte. Fndicadores de temperatura. Fndicadores de presión. Fndicadores de nivel. 6ransmisores de 7ujo. 6ransmisores de nivel. 5nalizador de o(ígeno. Girillas. *.5. 0aterias !rias. La materia prima para la producción de vapor es el agua, sin embargo, debido a la presencia de contaminantes en las aguas naturales, es necesario acondicionar el agua antes de usarla en los sistemas de generación de vapor. El acondicionamiento consiste en un pretratamiento o tratamiento e(ternoI y el tratamiento interno del agua de calderaI. El agua contiene gases disueltos !ue causa problemas de corrosión y sales !ue precipitan selectivamente sobre la superfcie de tubos en orma de cristales. Las incrustaciones se presentan en zonas de alta transerencia de calor, ya !ue e(iste una elevada temperatura y
una alta evaporación, lo cual incrementa la concentración de sólidos disueltos. La presencia de incrustaciones en las %reas de transerencia de calor causa problemas de efciencia, debido a !ue disminuye la transerencia de calor por su característica aislanteB adem%s, promueve un aumento de la temperatura del tubo !ue puede traducirse en posible alla o rotura del mismo. Acondicionamiento del agua de alimentación
La vida >til de una caldera y sus au(iliares, est% estrecamente relacionada con el correcto acondicionamiento del agua. El agua de alimentación de caldera generalmente contiene sólidos disueltos o en suspensión en mayor o menor grado, dependiendo de los tratamientos previos a los cuales uera sometido. El vapor generado, producto de esta agua y antes de abandonar al domo, es sometido a una serie de separadores cuya fnalidad es la de separar estos compuestos, obteniendo fnalmente vapor pr%cticamente puro. Estos sólidos, !ue an sido dejados atr%s, nuevamente se mezclan con el agua del domo aumentando cada vez m%s su concentración. "i esta e(cede los límites de solubilidad se producir% su precipitación. Esta es com>nmente cristalina por naturaleza y posee la particularidad de fjarse en orma de c%scara a las superfcies met%licas de las paredes de los tubos. Juímicamente, estas c%scaras consisten en compuestos insolubles de calcio y magnesio, present%ndose algunas veces cementado dentro de una masa muy dura de ó(idos de silicio. Cajo condiciones severas de presión y temperatura, -stas pueden estar constituidas total o parcialmente de complejos silicatos y ó(idos de ierro o cobre. El aumento en la presión o la temperatura aceleran dr%sticamente la ormación de estas. Pre-tratamiento del agua de alimentación.
En esta etapa se elimina o se reduce los compuestos de calcio, magnesio o sílice antes de !ue -stos lleguen al domo. Las cantidades de sólidos totales en el vapor no sólo dependen de la efciencia de los separadores y de la concentración del agua del domo, sino !ue dependen uertemente de la concentración de sólidos en el agua de alimentación !ue en -l ingresa. Tratamiento dentro del domo.
Gediante la inyección de productos !uímicos al mismo se logra la precipitación de los compuestos de calcio y magnesio de tal manera !ue ormen barros o se mantengan en solución pudiendo ser %cilmente e(traídos mediante las purgas, Purga continua
?or >ltimo, mediante la e(tracción continua de una determinada proporción de agua de domo, se lora reducir la concentración de sólidos en este medio. La cantidad de agua de la purga continua puede inerirse y controlarse autom%ticamente mediante la medición de la conductividad de agua en el domo #medida en ppm$, controlando de este modo la cantidad de agua a purgar mediante el uso de una v%lvula de control.
5. Describir los ob)etivos 'el control !ara la tarea. Describir+ Control 'e nivel en el 'oo En toda caldera !ue se encuentre operando, resulta casi obvio !ue la cantidad de agua !ue en -l ingrese, se deba e!uilibrar con la cantidad de vapor producido, sumando a este >ltimo, las purgas. Este estado de e!uilibrio tiene como par%metro indicativo al nivel del domo, el cual debe mantenerse en todo momento dentro de una estreca ranja. "i el nivel del domo baja por debajo del nivel de los tubos, estos >ltimos no ser%n rerigerados correctamente y en consecuencia aumentaría r%pidamente su temperatura, origin%ndose probablemente la rotura de los mismos. ?or el contrario, si este nivel sube demasiado, restaría lugar para !ue el vapor se separe satisactoriamente del agua, resultando en el arrastre de agua y sólidos al sobrecalentador yDo e!uipos de proceso posteriores. ?ara llegar al nuevo estado de e!uilibrio es obvio !ue la masa de agua !ue ingresa en el domo se iguale a la masa de vapor !ue sale de -l, manteni-ndose de esta manera un nivel constante. Esto se cumplir% para el nuevo estado de e!uilibrio entre demanda y producción de la caldera. ?ero debido a las variaciones en la demanda y con el fn de alcanzar un nuevo estado de e!uilibrio, se deber% eectuar una variación de la carga combustión y de agua de alimentación. &omo es de esperarse, este acomodamiento a un nuevo punto de e!uilibrio no tiene lugar instant%neamente, sino !ue e(iste una demora !ue depende undamentalmente y entre otras cosas de la inercia t-rmica de la caldera, la magnitud de dica variación y de la respuesta del sistema de control. Esta demora resultante es la principal causante de las variaciones de nivel en el domo. Estas variaciones pueden minimizarse implementando controles de nivel !ue contemplen dicas perturbaciones. El control de nivel de domo de una caldera es crítico tanto para la protección de la planta como para la seguridad. El propósito del controlador de nivel de domo es llevar al domo a su nivel de operación en el arran!ue de la caldera, y mantener el nivel a una carga de vapor constante.
6. Describir las variables 'el !roceso, los instruentos usa'os !ara su e'ici%n, las variables controla'as / las variables ani!ula'as, los !ar7etros 'e !roceso, los valores usuales 'e las !rinci!ales variables 'e !roceso / los la(os 'e control usa'os !ara cu!lir los ob)etivos 'e control. VARIABLE DE PROCEO EN EL LA2O DE CONTROL • • •
9ivel de 5gua en el 8omo de la caldera. =lujo de li!uido =lujo de vapor
INTRU0ENTO U ADO PARA LA 0EDICION
0EDIDA DE NIVEL 0e'i'ores locales 'e nivel con cristal 'e re8e9i%n+ "e utilizan normalmente en recipientes cerrados en los !ue la presión es muy superior o muy inerior a la atmos-rica. La presión m%(ima de trabajo suele estar en torno a ; KgDcm) y la temperatura m%(ima alrededor de *;;<&. Los cristales de re7e(ión son prismas de vidrio templado, de sección rectangular provistos de estrías longitudinales. Las estrías tienen sección rectangular y su objeto es de acer visible el nivel, incluso cuando el 7uido de proceso sea incoloro o transparente. Los cristales de nivel est%n aprisionados, mediante tornillos, en una caja de acero, de manera !ue se orma un elemento como el !ue aparece en la fgura.
&omo la longitud de este elemento es limitado para cumplir las condiciones de presión y temperatura m%(imas, si el recipiente donde se !uiere visualizar el nivel es demasiado alto se montan varios elementos como el descrito, ormando un conjunto asta alcanzar la longitud necesaria. Este conjunto de elementos, o simplemente un elemento, con sus correspondientes accesorios, tales como v%lvulas, bridas de cone(ión, etc., es lo !ue se denomina abitualmente nivel óptico de vidrio. Los cristales tienen la propiedad, debido a su orma estriada y las leyes de re7e(ión y reracción !ue cuando la luz ambiente incide sobre las estrías esta se re7eja acia el observador en la zona en la !ue los cristales est%n en contacto con el vapor, mientras !ue es absorbida en la zona en la !ue los cristales est%n en contacto con el lí!uidoB de esta orma la parte del nivel correspondiente al lí!uido se presenta al observador con una tonalidad m%s oscura !ue la correspondiente al vapor. 0e'ici%n !or !resi%n 'i$erencial El medidor de presión dierencial consiste en un diaragma en contacto con el lí!uido del tan!ue, !ue permite medir la presión idrost%tica en un punto del ondo del tan!ue. En un tan!ue abierto esta presión es proporcional a la altura del lí!uido en ese punto y a su peso específco. El diaragma orma parte de un transmisor neum%tico o electrónico de presión dierencial.
• •
=lujo del agua4 Gedidor tipo orte(. =lujo del vapor4 Gedidor tipo orte(.
VARIABLE ariables &ontroladas4 •
9ivel de 5gua en el 8omo
ariables Ganipuladas4 •
=lujo de 5gua de alimentación
Valores usuales 'e las !rinci!ales variables Las condiciones !ue pueden observarse en una caldera oscilan desde presiones de '; gDcm) y '); <& asta )2; gDcm) con vapor recalentado asta /; <&. ?ara nuestro caso usaremos los siguientes valores4 • • • • •
?roducción de vapor4 1;;; KgDr &ondiciones en el calderín de vapor4 ?M ; KgDcm ) y 6M *N/<& 6ipo de combustible4 Oas 9atural =lujo de aire4 )); tonD ingresa a una 6M)/<& =lujo de combustible4 ') tonD ingresa a la 6 ambienteM)/<&
LA2O DE CONTROL+ Variable 0ani!ula' a 9ivel en el =lujo de domo de vapor agua Variable Controla'a
La(o
Estrate:i a 'e Control
0o'o 'e Control
Ti!o 'e Acci%n
Ti!o 'e V7lvula
L6 + =&
=EE8C5&K
?F, ?F8
Fnversa
5ir to open
CONTROL DEL NIVEL 0EDIANTE LA 0ANIPULACION DEL AUA DE ALI0ENTACI;N El nivel en el calderín de vapor es una medida del volumen de agua contenida en el mismo, aun!ue algunas circunstancias !ue pueden alsear la medida. ?ara cada carga de la caldera ay un cierto volumen de agua !ue se encuentra como burbujas de vapor. En los primeros momentos !ue siguen a un incremento instant%neo de 7ujo de vapor,
sería de esperar una disminución del nivel en el calderín. "in embargo se da un proceso dierente, puesto !ue disminuye la presión y, como consecuencia, se producen m%s burbujas, ocasionando un aumento en el volumen de agua, aciendo aumentar el nivel cuando debería disminuir. Este enómeno se denomina incazón o e(pansión. ?or el contrario, ante un aumento de la presión por aber disminuido la carga, el nivel de agua tiende a contraer su volumen, ocasionando el enómeno de contracción. 3n aumento r%pido en el caudal de agua tiende a reducir temporalmente la ormación de burbujas en los tubos, todas estas reacciones tienden a e!uilibrarse en pocos segundos, pero en los primeros momentos responde en dirección inversa a la correcta. En base a todo lo anterior, el sistema de control del agua de alimentación necesita responder r%pidamente a los cambios de carga para mantener constante la cantidad de agua almacenada.
<. Dia:raa 'e instruentaci%n / !roceso =.
Biblio:ra$#a+ Gedición de niveles4 ttp4DDwww.directindustry.esDprodDbono+energiaDcaldera+de+vapor+ acuotubular+*2*//+)10)*'.tml isitado ;1D';D);'/ •
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