Sistemas de Control Automático de Nivel

Una explicación detallada del control automático de nivel de encendido/apagado, modulación, de dos y tres elementos, con una comparación de ventajas y desventajas.

Control encendido/apagado

Todos los métodos de detección de nivel descritos hasta ahora pueden utilizarse para producir una señal de encendido/apagado para el control de nivel. El método más común de control de nivel es simplemente arrancar la bomba de alimentación a un nivel bajo y dejarla funcionar hasta que se alcance un nivel de agua más alto dentro de la caldera.

• Con un control de nivel de flotador, se utilizará un interruptor magnético con histéresis o zona muerta incorporada.
• Con sondas de conductividad, se necesitan dos sondas (bomba encendida y bomba apagada) que proporcionarán niveles de conmutación fijos.
• Una sonda de capacitancia puede utilizarse para proporcionar niveles de conmutación de encendido/apagado ajustables. En el Reino Unido, el control de tipo encendido/apagado es prácticamente universal en calderas con una tasa de generación de vapor inferior a unos 5 000 kg/h, ya que es la opción menos costosa. (En Australia y Nueva Zelanda, las normas establecen que para calderas que superan los 3 MW (normalmente 5 000/kg/h), se debe instalar control de modulación). Sin embargo, se puede argumentar que este tipo de control encendido/apagado no es ideal para el control de calderas, porque la tasa de flujo relativamente alta de agua de alimentación ‘fría’ cuando la bomba está encendida reduce la presión de la caldera. Esto hace que la tara del quemador varíe continuamente a medida que la bomba se enciende y apaga. Tomando un ejemplo típico, se puede demostrar por cálculo que incluso con agua de alimentación a 80°C, la tara del quemador puede tener que ser un 40% mayor con la bomba de alimentación encendida que con la bomba apagada. Esta variación continua causa:
• Desgaste en los controles del quemador.
• Ciclos térmicos de la caldera.
• Reducción de la eficiencia.
• Una tasa de flujo de vapor en forma de ‘diente de sierra’ como la representada por el registrador gráfico mostrado en la Figura 3.17.2. Si las cargas de vapor son altas, el flujo variable de vapor tenderá a aumentar el arrastre de agua con el vapor, y tenderá a hacer que los niveles de agua sean cada vez más inestables con el peligro asociado de bloqueo por nivel bajo de agua, particularmente en instalaciones con múltiples calderas. Sin embargo, el hecho es que el control encendido/apagado se utiliza ampliamente en calderas de pequeña a media producción, como se definió anteriormente, y que muchos problemas asociados con las calderas de vapor que operan con grandes variaciones de carga se deben en parte a los sistemas de control de nivel encendido/apagado.

Resumen del control de nivel encendido/apagado

Ventajas:

• Simple.
• Económico.
• Bueno para calderas en espera. Desventajas:
• Cada caldera requiere su propia bomba de alimentación.
• Mayor desgaste de la bomba de alimentación y el equipo de control.
• Presión y caudal de vapor variables.
• Mayor arrastre de agua de la caldera.
• Mayor probabilidad de problemas operativos diarios bajo grandes variaciones de carga.

Control de modulación

En este tipo de sistema, la bomba de alimentación funciona continuamente, y una válvula automática (entre la bomba de alimentación y la caldera) controla el caudal de agua de alimentación para igualar la demanda de vapor. Cuando funciona correctamente, el control de modulación puede suavizar drásticamente el registro de flujo de vapor y asegurar una mayor estabilidad del nivel de agua dentro de la caldera. Para el control de nivel de modulación, se pueden utilizar los siguientes métodos para detectar el nivel de agua:

• Flotadores con salida de señal continua.
• Sondas de capacitancia.
• Celdas de presión diferencial.

Recirculación

Para proteger la bomba de alimentación del sobrecalentamiento cuando bombea contra una válvula de modulación cerrada, se proporciona una línea de recirculación o desvío para asegurar un caudal mínimo a través de la bomba. Esta recirculación puede controlarse mediante una válvula o con una placa de orificio. La cantidad de agua a recircular no es grande, y la guía suele estar disponible del fabricante de la bomba. Como indicación, el tamaño del orificio estará generalmente entre 5 mm y 7 mm para una caldera típica. Control de nivel de modulación mediante variación de la velocidad de la bomba de agua de alimentación de la caldera En este tipo de sistema, una señal de modulación que representa el nivel de agua de la caldera (por ejemplo, de una sonda de capacitancia) se dirige a un controlador de frecuencia eléctrica. Este controlador a su vez varía la frecuencia del voltaje CA al motor de la bomba de agua de alimentación de la caldera, y por tanto varía su velocidad.

• Si se necesita mucha agua, la bomba funciona a alta velocidad.
• Si se necesita menos agua, la velocidad de la bomba se reduce. De esta manera, la velocidad de la bomba se modula para proporcionar un caudal de agua de alimentación que coincide con la demanda de agua de alimentación de la caldera. Hay dos formas en que la tecnología de variador de velocidad se aplica generalmente: Con recirculación - Cuando la demanda está satisfecha y la velocidad del motor se reduce a su mínimo, y aún se necesita algo de recirculación de agua de alimentación al depósito de alimentación para evitar el sobrecalentamiento de la bomba (véase la Figura 3.17.5). Sin recirculación - En este caso, el controlador del motor detiene la bomba de alimentación a cargas de caldera muy bajas, por lo que no se necesita recirculación. Dos factores importantes relacionados con la parada y arranque de la bomba son:
• La bomba no debe arrancarse y detenerse dentro de un período dado más de lo recomendado por el fabricante.
• Al arrancar, el controlador de frecuencia debe aumentar gradualmente desde baja velocidad, para minimizar el desgaste de la bomba. La ventaja principal de los variadores de velocidad es que a medida que varía la velocidad de la bomba, también varía su consumo de energía, y por supuesto, un menor consumo de energía significa menores costos operativos. Sin embargo, los ahorros de costos por el uso de variadores de velocidad deben relacionarse con el mayor costo del equipo de control. Esto generalmente solo es viable para calderas grandes con amplias variaciones de carga o que operan de manera principal/secundaria.

Control de nivel de agua de un solo elemento

El sistema estándar de control de nivel de agua de caldera de un solo elemento, con control proporcional, proporciona un excelente control en la mayoría de las instalaciones de calderas. Sin embargo, con el control proporcional de un solo elemento, el nivel de agua debe descender para que la válvula de control de agua de alimentación se abra. Esto significa que el nivel de agua debe ser más alto a bajas tasas de vaporización y más bajo a altas tasas de vaporización: una característica de control de nivel descendente. Sin embargo, donde hay cambios de carga muy repentinos, en algunos tipos de calderas de tubos de agua, el control de un solo elemento tiene sus limitaciones. Considere la situación cuando una caldera opera dentro de su capacidad nominal:

• El ‘agua’ de la caldera contendrá en realidad una mezcla de agua y burbujas de vapor, que será menos densa que el agua sola.
• Si la demanda de vapor aumenta, la presión en la caldera inicialmente desciende, y el sistema de control aumentará la tara del quemador. La tasa de evaporación aumentará para satisfacer la demanda creciente.
• La mayor tasa de evaporación significa que el agua de la caldera contendrá más burbujas de vapor y será aún menos densa. Si ahora se aplica una carga repentina a la caldera:
• La presión dentro de la caldera se reduce aún más, y una proporción del agua de la caldera se destellará a vapor. El destello del agua de la caldera, más la mayor entrada de calor a medida que los quemadores se aumentan al máximo, significa que el ‘agua’ de la caldera contendrá aún más burbujas de vapor, y su densidad se reducirá aún más.
• A medida que la presión desciende, el volumen específico del vapor aumenta, y la mayor velocidad resultante a la que el vapor se extrae de la caldera puede crear una ‘inflamación’ de la mezcla burbuja de vapor/agua, resultando en un aumento aparente del nivel de agua.
• Los controles de nivel detectarán este aumento aparente del nivel de agua, y comenzarán a cerrar la válvula de control de agua de alimentación, cuando en realidad se necesita más agua. La situación ahora es que hay una alta demanda de vapor, y no se está añadiendo agua a la caldera para mantener el nivel.
• Se alcanza un punto donde la ‘inflamación’ en el agua se colapsará, posiblemente a un nivel por debajo de las alarmas de nivel bajo, y la caldera puede repentinamente ‘bloquearse’, sacando la planta de línea. Control de nivel de agua de dos elementos El control de dos elementos invierte la característica de control de nivel descendente para asegurar que el nivel de agua suba a altas tasas de vaporización. Esto procura asegurar que la cantidad de agua en la caldera se mantenga constante en todas las cargas, y que durante períodos de demanda de vapor aumentada y repentina, la válvula de control de agua de alimentación se abra. El sistema funciona utilizando la señal de un medidor de flujo de vapor instalado en la tubería de descarga de vapor para aumentar el punto de ajuste del controlador de nivel a altas cargas de vapor. Los dos elementos de la señal son:
• Primer elemento - Señal de nivel del agua dentro de la caldera.
• Segundo elemento - Señal de flujo del medidor de flujo de vapor en la toma de vapor de la caldera.

Resumen del control de nivel de agua de dos elementos Cualquier instalación de caldera que experimente cambios frecuentes y repentinos de carga puede funcionar mejor con un sistema de control de agua de alimentación de dos elementos. Donde los cambios de carga del proceso son severos (las cervecerías son una aplicación común) se debe considerar el control de dos elementos y parecería ser necesario donde hay cambios de carga repentinos de más del 25% en una caldera.

Control de nivel de agua de tres elementos El control de tres elementos, como se muestra en la Figura 3.17.8, involucra los dos elementos de señal mencionados anteriormente, más un tercer elemento, que es el caudal real medido de agua de alimentación a la caldera. El control de tres elementos se ve más a menudo en salas de calderas donde varias calderas son alimentadas con agua de alimentación desde un anillo principal presurizado común. Bajo estas circunstancias, la presión en el anillo principal de agua de alimentación puede variar dependiendo de cuánta agua esté siendo extraída por cada una de las calderas. Debido a que la presión en el anillo principal varía, la cantidad de agua que pasará la válvula de control de agua de alimentación también variará para cualquier apertura particular de válvula. La entrada del tercer elemento modifica la señal a la válvula de control de agua de alimentación, para tener en cuenta esta variación de presión.

Resumen del control de nivel de modulación

Ventajas:

• Presión y caudal de vapor estables dentro de la capacidad térmica de la caldera.
• Operación más eficiente del quemador.
• Menor estrés térmico en la carcasa de la caldera.
• Menor arrastre de agua de la caldera.
• Puede usar una estación centralizada de bombas de alimentación.
• Menor desgaste de la bomba de alimentación y el quemador. Desventajas:
• Más costoso.
• La bomba de alimentación debe funcionar continuamente.
• Menos adecuado para operación en ‘espera’.
• Posiblemente mayor consumo de electricidad.