Sistemas de Controle Automático de Nível

Uma explicação detalhada do controle automático de nível on/off, modulador, de dois e três elementos, com uma comparação de prós e contras.

Controle on/off

Todos os métodos de detecção de nível descritos até agora podem ser usados para produzir um sinal on/off para controle de nível. O método mais comum de controle de nível é simplesmente ligar a bomba de alimentação em um nível baixo e permitir que ela funcione até que um nível de água mais alto seja alcançado dentro da caldeira.

Com um controle de nível de flutuador, um interruptor magnético com histerese ou banda morta integrada será usado.
Com sondas de condutividade, duas sondas são necessárias (bomba ligada e bomba desligada) que fornecerão níveis de comutação fixos.
Uma sonda de capacitância pode ser usada para fornecer níveis de comutação on/off ajustáveis. No Reino Unido, o controle do tipo on/off é quase universal em caldeiras abaixo de aproximadamente 5 000 kg/h de taxa de geração de vapor, pois é a opção menos dispendiosa. (Na Austrália e Nova Zelândia, as normas estabelecem que para caldeiras excedendo 3 MW (tipicamente 5 000 kg/h), o controle modulador deve ser instalado). Pode-se argumentar, no entanto, que este tipo de controle on/off não é ideal para controle de caldeira, porque a taxa de fluxo relativamente alta de água de alimentação ‘fria’ quando a bomba está ligada reduz a pressão da caldeira. Isso faz com que a taxa de disparo do queimador varie continuamente à medida que a bomba liga e desliga. Tomando um exemplo típico, pode ser demonstrado por cálculo que, mesmo com água de alimentação a 80°C, a taxa de disparo do queimador pode ter que ser 40% maior com a bomba de alimentação ligada do que com a bomba de alimentação desligada. Essa variação contínua causa:
Desgaste nos controles do queimador.
Ciclagem térmica da caldeira.
Eficiência reduzida.
Uma taxa de fluxo de vapor em ‘dente de serra’ conforme representado pelo registrador gráfico mostrado na Figura 3.17.2. Se as cargas de vapor forem altas, a taxa de fluxo de vapor variável tenderá a aumentar o arraste de água com o vapor e tenderá a tornar os níveis de água cada vez mais instáveis com o perigo associado de bloqueio por nível baixo de água, particularmente em instalações com múltiplas caldeiras. No entanto, o fato permanece que o controle on/off é muito amplamente usado em caldeiras de pequeno a médio porte, conforme definido acima, e que muitos problemas associados a caldeiras de vapor operando com grandes variações de carga são devidos em parte a sistemas de controle de nível on/off.

Resumo do controle de nível on/off

Vantagens:

Simples.
Econômico.
Bom para caldeiras em espera. Desvantagens:
Cada caldeira requer sua própria bomba de alimentação.
Mais desgaste na bomba de alimentação e nos equipamentos de controle.
Pressão e taxa de fluxo de vapor variáveis.
Mais arraste de água da caldeira.
Maior chance de problemas operacionais diários sob grandes variações de carga.

Controle modulador

Neste tipo de sistema, a bomba de alimentação funciona continuamente e uma válvula automática (entre a bomba de alimentação e a caldeira) controla a taxa de fluxo da água de alimentação para corresponder à demanda de vapor. Quando operando corretamente, o controle modulador pode suavizar drasticamente o gráfico de taxa de fluxo de vapor e garantir maior estabilidade do nível de água dentro da caldeira. Para controle de nível modulador, os seguintes métodos podem ser usados para detectar o nível de água:

Flutuadores com saída de sinal contínuo.
Sondas de capacitância.
Células de pressão diferencial.

Recirculação

Para proteger a bomba de alimentação contra superaquecimento quando bombeando contra uma válvula moduladora fechada, uma linha de recirculação ou retorno é fornecida para garantir uma taxa de fluxo mínima através da bomba. Esta recirculação pode ser controlada por uma válvula ou com uma placa de orifício. A quantidade de água a ser recirculada não é grande e a orientação geralmente está disponível do fabricante da bomba. Como indicação, o tamanho do orifício geralmente estará entre 5 mm e 7 mm para uma caldeira típica. Controle de nível modulador variando a velocidade da bomba de alimentação da caldeira Neste tipo de sistema, um sinal modulador representando o nível de água da caldeira (por exemplo, de uma sonda de capacitância) é direcionado a um controlador de frequência elétrico. Este controlador, por sua vez, varia a frequência da voltagem CA para o motor da bomba de alimentação da caldeira, e consequentemente varia sua velocidade.

Se muita água for necessária, a bomba funciona em alta velocidade.
Se menos água for necessária, a velocidade da bomba é reduzida. Desta forma, a velocidade da bomba é modulada para fornecer uma taxa de fluxo de água de alimentação que corresponda à demanda da caldeira por água de alimentação. Existem duas maneiras pelas quais a tecnologia de acionamento de velocidade variável é geralmente aplicada: Com recirculação - Quando a demanda é satisfeita e a velocidade do motor é reduzida ao mínimo, e alguma recirculação de água de alimentação para o tanque de alimentação ainda é necessária para evitar o superaquecimento da bomba (veja Figura 3.17.5). Sem recirculação - Neste caso, o controlador do motor para a bomba de alimentação em cargas muito baixas da caldeira, portanto a recirculação não é necessária. Dois fatores importantes relacionados à partida e parada da bomba são:
A bomba não deve ser ligada e desligada dentro de um determinado período de tempo mais do que o recomendado pelo fabricante.
Ao iniciar, o controlador de frequência deve ser acelerado a partir de baixa velocidade, para minimizar o desgaste da bomba. A principal vantagem dos acionamentos de velocidade variável é que, à medida que a velocidade da bomba varia, também varia seu consumo de energia e, é claro, o consumo de energia reduzido significa custos operacionais reduzidos. No entanto, as economias de custo do uso de acionamentos de velocidade variável devem ser relacionadas ao custo mais alto do equipamento de controle. Isso geralmente só é viável para caldeiras grandes com grandes variações de carga ou que operam de forma lead/lag.

Controle de nível de água por elemento único

O sistema padrão de controle de nível de água de caldeira por elemento único, com controle proporcional, fornece controle excelente na maioria das instalações de caldeiras. No entanto, com controle proporcional por elemento único, o nível de água deve cair para que a válvula de controle de água de alimentação abra. Isso significa que o nível de água deve ser mais alto em baixas taxas de geração de vapor e mais baixo em altas taxas de geração de vapor: uma característica de controle de nível descendente. No entanto, onde há mudanças de carga muito repentinas, em alguns tipos de caldeira aquatubular, o controle por elemento único tem suas limitações. Considere a situação quando uma caldeira está operando dentro de sua capacidade nominal:

A ‘água’ da caldeira na verdade conterá uma mistura de água e bolhas de vapor, que será menos densa do que apenas água.
Se a demanda por vapor aumentar, a pressão na caldeira inicialmente cai e o sistema de controle aumentará a taxa de disparo do queimador. A taxa de evaporação aumentará para atender à demanda aumentada.
A taxa aumentada de evaporação significa que a água da caldeira conterá mais bolhas de vapor e se tornará ainda menos densa. Se uma carga repentina for agora aplicada à caldeira:
A pressão dentro da caldeira é ainda reduzida e uma parte da água da caldeira se transformará em vapor flash. A vaporização da água da caldeira, mais a entrada de calor aumentada conforme os queimadores sobem ao máximo, significa que a ‘água’ da caldeira conterá ainda mais bolhas de vapor e sua densidade será ainda mais reduzida.
À medida que a pressão cai, o volume específico do vapor aumenta e a velocidade resultante mais alta na qual o vapor é retirado da caldeira pode criar uma ‘expansão’ da mistura de bolhas de vapor/água, resultando em uma aparente elevação no nível de água.
Os controles de nível detectarão esta aparente elevação no nível de água e começarão a fechar a válvula de controle de água de alimentação, quando na verdade mais água é necessária. A situação agora é que há uma alta demanda de vapor e nenhuma água está sendo adicionada à caldeira para manter o nível.
Um ponto é alcançado onde a ‘expansão’ na água entrará em colapso, possivelmente para um nível abaixo dos alarmes de nível baixo, e a caldeira pode repentinamente ‘desligar’, tirando a planta de operação. Controle de nível de água por dois elementos O controle por dois elementos inverte a característica de controle de nível descendente para garantir que o nível de água suba em altas taxas de geração de vapor. Isso se esforça para garantir que a quantidade de água na caldeira permaneça constante em todas as cargas e que, durante períodos de demanda de vapor aumentada e repentina, a válvula de controle de água de alimentação abra. O sistema funciona usando o sinal de um medidor de fluxo de vapor instalado na tubulação de descarga de vapor para aumentar o ponto de ajuste do controlador de nível em altas cargas de vapor. Os dois elementos do sinal são:
Primeiro elemento - Sinal de nível da água dentro da caldeira.
Segundo elemento - Sinal de fluxo do medidor de fluxo de vapor na tomada de vapor da caldeira.

Resumo do controle de nível de água por dois elementos Qualquer instalação de caldeira que experimenta mudanças frequentes e repentinas de carga pode funcionar melhor com um sistema de controle de água de alimentação por dois elementos. Onde as mudanças de carga de processo são severas (cervejarias são uma aplicação comum), o controle por dois elementos deve ser considerado e pareceria ser necessário onde há mudanças de carga repentinas de mais de 25% em uma caldeira.

Controle de nível de água por três elementos O controle por três elementos, conforme mostrado na Figura 3.17.8, envolve os dois elementos de sinal mencionados anteriormente, mais um terceiro elemento, que é a taxa de fluxo real medida de água de alimentação na caldeira. O controle por três elementos é mais frequentemente visto em casas de caldeiras onde várias caldeiras são abastecidas com água de alimentação de um anel coletor pressurizado comum. Nessas circunstâncias, a pressão no anel coletor de água de alimentação pode variar dependendo de quanta água está sendo retirada por cada uma das caldeiras. Como a pressão no anel coletor varia, a quantidade de água que a válvula de controle de água de alimentação passará também variará para qualquer abertura de válvula particular. A entrada do terceiro elemento modifica o sinal para a válvula de controle de água de alimentação, para levar em consideração essa variação de pressão.

Resumo do controle de nível modulador

Vantagens:

Pressão e taxa de fluxo de vapor estáveis dentro da capacidade térmica da caldeira.
Operação mais eficiente do queimador.
Menos estresse térmico no casco da caldeira.
Menos arraste de água da caldeira.
Pode usar uma estação centralizada de bomba de alimentação.
Menos desgaste na bomba de alimentação e no queimador. Desvantagens
Mais caro.
A bomba de alimentação deve funcionar continuamente.
Menos adequado para operação em ‘espera’.
Possivelmente maior consumo de eletricidade.