Sistema Control

8/18/2019 Sistema Control

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MÉXIC O D.F. 2013

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICAY ELÉCTRICA

TESIS COLECTIVA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

P R E S E N T A N :

“SISTEMA DE CONTROL PARA UNA CALDERA USADA

EN UNA HARINERA”

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

EDUARDO ORTIZ BARON

VICENTE JOSÉ GERARDO ARBESU GARCIA

DR. FLORIBERTO ORTIZ RODRÍGUEZ

ING. CARLOS BARROETA ZAMUDIO

ASESORES


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Minatitlán, Ver., a 15 de mayo de 2013

CARTA DE AGRADECIMIENTO

Por medio de la presente quisiera externar mi profundo agradecimiento hacia mi alma mater porlas atenciones y facilidades recibidas para obtenerel título profesional que avala la terminación deMis estudios como ingeniero en Comunicaciones yElectrónica en la escuela Superior de ingenieríaMecánica y Eléctrica.

Ahora me encuentro comprometido a seguir conentusiasmo y conocimiento a desarrollar bienestar

a la comunidad que me apoyó.

VICIENTE JOSÉ GERARDO ARBESU GARCÍA


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A MIS PADRES POR SU EJEMPLO Y

GENEROSIDAD.

A MI ESPOSA PATRICIA POR SU APOYO

INCONDICIONAL.

A MIS HIJAS MARINA DANIELA Y ANDREA

POR SER MI INSPIRACION.

A MI ESCUELA PROFESORES Y

COMPAÑEROS.

AL AMIGO QUE ME MOTIVO Y ASESORÓ

INGENIERO

CARLOS BARROETA ZAMUDIO.

EDUARDO ORTIZ BARÓN


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“SISTEMA DE CONTROL PARA UNA CALDERA PARA

UNA HARINERA”

Objetivo: PROPONER Y DESARROLLAR

UN SISTEMA DE CONTROL PARA EL ARRANQUE Y OPERACIÓN DE UNA CALDERA CONSIDERANDO LAS NORMAS DE SEGURIDAD PARA SU ÓPTIMA OPERACIÓN

C. EDUARDO ORTIZ BARON

C. VICENTE JOSÉ GERARDO ARBESU GARCIA


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ÍNDICE:

-INTRODUCCIÓN

- CONSIDERACIONES DE LA CALDERA

- MARCO TEÓRICO

- CONTROL USANDO PLC’S

- SIMULACIÓN, IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS

- CONCLUSIONES

BIBLIOBRAFIA

GLOSARIO DE TÉRMINOS

APENDICES


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Contenido

Introducción ............................................................................................................................. 6

Control manual con sistemas de comprobación de flama ........................................................... 7Control manual supervisado ..................................................................................................... 7

Control automático de secuencia ............................................................................................ 10

Operación de quemadores sin supervisión del operador .......................................................... 10

REQUERIMEINTOS DE LA ACTUALIZACIÓN DE SISTEMA DE PROTECCIÓN, ENCENDIDO Y CONTROL

DE LA CALDERA ...................................................................................................................... 11

Regulación del exceso de aire ................................................................................................. 13

Ajuste de oxigeno ................................................................................................................... 13

Modulación de quemadores ................................................................................................... 13

Límites cruzados de Aire-combustible ..................................................................................... 14

Control de nivel del domo de la caldera .................................................................................. 14

Programación de la demanda de carga .................................................................................... 15

Componentes básicos de protección, encendido y control requeridos en los quemadores ....... 15

Fundamentos normativos de los sistemas de protección, encendido y control para calderas .... 17

Controladores lógicos programables ....................................................................................... 20

SISTEMA DE PROTECCION Y ENCENDIDO PROPUESTO PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMA ......... 28

CARACTERISTICAS DEL SISTEMA DE PROTECCION Y ENCENDIO PROPUESTO ............................. 30

SISTEMAS PRINCIPALES Y SECUENCIA DE OPERACIÓN PROPUESTOS......................................... 33

SISTEMAS DE CONTROL PROPUESTO PARA SOLUCIONAR EL PROBLEMA .................................. 33

1.SISTEMA DE CONTROL DE COMBUSTIÓN PROPUESTO ...................................... 34

2. SISTEMAS DE CONTROL DE AGUA DE ALIMENTACION PROPUESTO ............. 40

3. SISTEMA DE CONTROL DE PRESION DIFERENCIAL VAPOR ATOMIZACION YACEITE PROPUESTO ..................................................................................................... 41

4. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA AIRE ENTRADA ALPRECALENTADOR ......................................................................................................... 42

5. SISTEMA DE CONTROL DE CABEZAL DE COMBUSTÓLEO PROPUESTO ........ 43

CONCLUSIONES DEL ARRANQUE DEL SISTEMA DE PROTECCION, ENCENDIDO Y CONTROL DE A

CALDERA . .............................................................................................................................. 46


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Introducción

La revolución Industrial fue un periodo histórico comprendido entre lasegunda mitad del siglo XVIII y principios del XIX, en el que Gran Bretaña enprimer lugar y el resto de Europa continental después, viven el mayorconjunto de transformaciones socioeconómicas, tecnológicas y culturalesde la historia de la humanidad.

La economía basada en el trabajo artesanal fue reemplazada por otradominada por la industria y la manufactura. La revolución comenzó con lamecanización de las industrias textiles y el desarrollo de los procesos delhierro.

La máquina de vapor fue una de las innovaciones tecnológicas másimportantes. La producción y desarrollo de nuevos modelos de maquinariaen las dos primeras décadas del siglo XIX facilitó la manufactura en otrasindustrias e incrementó también su producción.

En México el sector industrial ha sido un elemento crucial para el desarrolloeconómico del país debido al impacto que puede tener en los niveles deempleo, inversión y por ende en el crecimiento de la economía.

En el 2012, el sector industrial en México tuvo una contribución al PIB del3.1% y fue responsable de la generación del 2.4% de los empleos de lapoblación ocupada.

También es evidente que como país nos hemos rezagado en el contextomundial en la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías. Comoempresarios, estamos obligados a eficientar nuestros procesos industrialesa través de la preparación, talento e imaginación de las nuevas generacionesde profesionales.

Todos los sistemas de protección, encendido y control para calderas estánconstituidos básicamente por dos procesos, los cuales son: detectores de

flama y una lógica de operación.

Estos sistemas tienen por objetivo asistir al operador durante el arranque yparo de los quemadores y equipo asociado, para la correcta combustión delcombustible utilizado.


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Las categorías para el diseño de los sistemas de protección, encendido ycontrol, generalmente se puede dividir en:

a. Control manual

b. Control manual con sistemas de comprobación de flama

c. Control remoto de secuencias manual

d. Control automático de secuencia

e. Operación de quemadores sin supervisión del operador

Este concepto se aplica eventualmente en condiciones extremas deoperación cuando es necesario operar manualmente todo el equipo.

Control manual con sistemas de comprobación de flama

Se refiere a la aplicación de un control semiautomático de encendido delpiloto incluyendo la comprobación de flama y un sistema para entrelazar el

pre-encendido, la purga y el permiso para encender el quemador principal

Control manual supervisado

Este sistema permite la operación manual remota desde el cuarto de control.Usa sistemas de instrumentación, sensores e interruptores de posición.

Además de la detección de flama, se sabe la posición de las válvulas decombustible y registros de aire y se dispone de sistemas entrelazados parasatisfacer; la purga del horno, el pre-encendido, la operación de losquemadores y el disparo de combustibles. Con este sistema el operadorparticipa en la operación del equipo de combustible.


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Control automático de secuencia

La automatización del control de secuencia permite el arranque del equipode quemado de combustibles al oprimir un botón. La automatizaciónreemplaza al operador en el control de las secuencias de operación.

El operador participa y monitorea con su inteligencia la secuencia deoperación indicada por las luces y señales de instrumentación desde elinicio de los procedimientos del proceso.

Operación de quemadores sin supervisión del operador

Comúnmente llamado “fuel management”.

El sistema reconoce por sí mismo el nivel de combustible que está enservicio, toma una decisión concerniente a las necesidades de arrancar opara el siguiente incremento de equipo de combustible y lo selecciona,basándose en las características de combustión de los quemadores enservicio.


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REQUERIMEINTOS DE LA ACTUALIZACIÓN DE SISTEMA DEPROTECCIÓN, ENCENDIDO Y CONTROL DE LA CALDERA DE

TUBOS REFLEJANTES

El motivo del proyecto de actualización del sistema de protección,encendido y control de la caldera de tubos reflejantes, proceso necesario enla producción de harinas, el cual se ha incrementado rápidamente, siendofundamental el producir vapor seco en la producción de harinas.

Es necesario incrementar la capacidad de los recursos e insumosnecesarios en la generación de harinas, y eso incluye el incremento del usode vapor requerido por el proceso de transformación en las panificadoras.

Este incremento de producción de vapor, incluye el suministro másconsistente y de forma más constante.

El proceso requiere que el suministro de vapor sea constante en volumen,presión, y que la respuesta al aumento y disminución de la carga, sea rápiday efectiva.

En resumen, podemos exponer que los problemas actuales de la caldera,que están presentes en varios de sus sistemas de control, principales recaen

en los siguientes 7 sistemas:1. Regulación del de aire

2. Ajuste de oxigeno

3. Modulación de los quemadores

4. Inexistencia de límites cruzados en aire-combustible

5. Control de nivel del domo de la caldera

6. Programación de la demanda de carga7. Componentes básicos de protección, encendido, y control requeridos

en los quemadores


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Vista de una caldera de tubos radiantes

La caldera de tubos reflejantes opera ineficientemente y sin seguridad adecuada ysu repuesta a los cambios de carga son muy lentos.

Corte de un diagrama general de una caldera dr tubos radiantes

El sistema de manejo de los quemadores es muy difícil ó imposible deconfigurar de forma diferente cuando se requiere operar con fluctuacionesde carga.

El costo de operación es alto ya que no se tiene un control eficiente de lossistemas de control, todo esto da una pobre ó nula administración delcontrol de la caldera.


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1. Regulación del exceso de aire

Se requiere, básicamente en poder obtener y retener el aire dentro de lacaldera en un rango especifico que asegure una completa combustión y unapérdida reducida de calor generado.

La regulación del aire que se requiere, deberá de:

a. Mejorar los niveles actuales de transferencia de calor.

b. Proporcionar a los operadores en el cuarto de instrumentos, tambiénllamado cuarto de control, señales de alarma anticipadas de unamezcla inapropiada de aire-combustible .

c. Ofrecer ahorros significativos en la utilización de los combustibles.

2. Ajuste de oxígeno

Se deberá de conocer la concentración de oxígeno a la salida de la calderapara poder, de ésta forma, hacer los ajustes de aire o combustiblenecesarios, y así, mejorar el control de combustión.

Adicionalmente el control y regulación de oxígeno deberá de permitir:

a. Un control más preciso del aire.b. Una rápida recuperación al valor de ajuste, establecido por el operador

después de presentarse disturbios de carga.c. Un control muy preciso de emisiones contaminantes.d. Una fácil eliminación de monóxido de carbono.

3. Regulación de quemadores

Se deberá de tener el control automático para mejorar la operación de lacaldera, monitoreo de la línea de vapor, para producir una señal continua decontrol que determine la cantidad de combustible a los quemadores.

Las reducciones en la presión de vapor deberán de incrementar ó disminuirla flama en los quemadores.


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La regulación de los quemadores para el control de combustióndeberá de incluir lo siguiente:

a. Continuamente deberá de mantener la relación aire-combustible, entodo el rango de demanda de carga, en los niveles más eficientes.

b. Deberá de tener muy poca tolerancia en el rango de salida de lapresión del vapor.

c. Mejorar la eficiencia actual de la caldera.d. Reducir la temperatura promedio de gas, al mantener un control de

presiones en el suministro de combustibles.

4. Límites cruzados de Aire-combustibleTendrá que tener una estrategia de límites cruzados en el control decombustión, que asegure que, en ninguna condición, pueda haber unarelación peligrosa de aire-combustible en el sistema.

Está característica siempre deberá de incrementar el flujo de aire antes deincrementar el flujo de combustible y siempre deberá de reducir el flujo decombustible antes de permitir que el flujo de aire decaiga.

Además que los límites cruzados para el control de combustión debe de ser

altamente efectivo y deberá de poder:a. Optimizar el consumo de combustible.b. Reducir el riesgo de explosión.c. Poderse adaptar rápidamente a variaciones en el suministro de

combustible y el aire.d. Mejorar la satisfacción en la demanda de vapor.

5. Control de nivel del domo de la caldera

El control de nivel del domo de la caldera es de los más críticos, ya que, sise tuviera un muy bajo nivel, podría exponer a los tubos de la caldera asobrecalentamientos, dañándolos de forma irreversible.

El controlador del nivel del domo deberá de mantener el nivel para tener unacarga constante de vapor.


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El control de nivel y vapor deberán de corregir los disturbios producidos porla variación de la carga de vapor, además de fugas en la caldera y tubos delsobrecalentador.

El flujo de agua de alimentación debe de responder rápidamente a lasvariaciones de la demanda de agua de alimentación que se tiene cuando elflujo de vapor tenga variaciones con señales de demanda mayor o menorvariaciones de flujo y de presión de agua de alimentación.

Se necesita tener un control estable a lo largo de un gran rango en lademanda de vapor, por lo que se requiere de un control de tres elementosque actué durante la alta demanda de vapor, pero que pueda tambiéntrabajar como un control de dos elementos si la medición del flujo de vapor

fallara o se perdiera.

6. Programación de la demanda de carga

Una de las metas principales de la operación de la caldera, debe asegurarque la presión del vapor sea constante para cualquier demanda de carga.

Esa característica de la caldera de poder modular el vapor a la carga variablede la demanda, será una de las más IMPORTANTES una vez que se haya

realizado el encendido y la caracterización de la caldera con amboscombustibles, gas natural y combustóleo #6.

7. Componentes básicos de protección, encendido y controlrequeridos en los quemadores

Además de los componentes mínimos, los otros que se instalen en lossistemas de la caldera deberán de cumplir lo estipulado en la NFPA, y el

Código de Registros para Calderas y Sistemas de Combustión NFPA 85, porlo que no requieren ser enlistados, ya que basta con verificar las normasmencionadas.

Para el quemador de combustóleo #6 los requerimientos mínimos paracontrolar la seguridad y para los sistemas de suministro de vapor deatomización y combustóleo son:

Una válvula de corte de seguridad, normalmente cerrada


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Una válvula de atomización para la recirculación de combustóleo,normalmente abierta

Una válvula de control de flujo de combustóleo

Un interruptor de baja temperatura de combustóleo Un interruptor de alta temperatura de combustóleo

Un interlock de posición cerrada en la válvula de corte de seguridad

Una válvula de control diferencial para la atomización Una válvula de corte para la atomización automática

Un medidor de combustóleo Un interruptor de baja presión de atomización Un interruptor con interlock de presión para la atomización

Un interruptor de baja presión

Un medidor de presión Una válvula de corte manual Un medidor de temperatura de combustóleo Una malla para la atomización

Un interruptor de inicio de baja flama Un orifico para medir el flujo en la atomización

Una válvula check

Un detector de flama Un interlock de muy alta presión de vapor

Un corte por bajo de nivel de agua Un interlock para el suministro de aire de combustión

Para el quemado de gas natural los requerimientos mínimos para controlar laseguridad y para los sistemas de suministro de combustible son:


Una válvula de venteo, normalmente abierta

Una válvula de control de flujo de gas Una interock de posición cerrada en la válvula de corte de seguridad

Una válvula reguladora de presión constante de gas Una válvula de corte manual para la línea de venteo

Una conexión para probar fugas Un medidor de gas

Un interruptor de presión alta de gas

Un interruptor de presión baja de gas Un medidor de presión Una válvula de corte manual


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Un interruptor de encendido con baja flama

Un detector de flama Un interlock de muy alta presión de vapor

Un corte por bajo nivel de agua Un interlock para el suministro de aire de combustión

Para el quemado de gas natural en los pilotos, los requerimientos mínimosde sistema son:


Una válvula de venteo, normalmente abierta

Una malla para gas Una válvula reguladora de presión constante de gas

Un medidor de presión Una válvula de corte manual

Fundamentos normativos de los sistemas de protección,encendido y control para calderasPara diseñar un sistema de protección, encendido y control de una caldera,se tienen que seguir los lineamientos establecidos y probados para lacorrecta protección y manejo de los siguientes sistemas:

Sistemas de combustibles

Sistema de agua

Sistema de aire Sistema de vapor generado

Los sistemas de protección, encendido y control, basan su seguridadprincipal en la detección de flama para mantener las válvulas de suministrode combustibles abiertas, y protegen al sistema de encendido de posiblesaccidentes por condiciones fuera del rango de operación del equipo delproceso de combustión.

Las funciones de los sistemas de protección, encendido y control son:

a. Prevenir a la caldera de una posible explosión.b. Prevenir a los quemadores y al equipo de combustible de alguna

operación anormal.c. Evitar falsos disparos del equipo de combustible cuando en realidad

no exista alguna situación insegura.


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d. Proporcionar un método o secuencia de operación a ser usado en elarranque, paro, operación y control del equipo de combustible.

e. Monitorear la operación de la caldera.

Lineamientos y normas:

NFPA (National Fire Protection Association). Códigos de registros para calderas y sistemas de combustión NFPA

85.

Esos lineamientos son los cubiertos en las siguientes secciones de esanorma y código:

Sistemas de protección y encendido

Controles de combustión

Controles de agua de alimentación Controles de presión diferencial de vapor de atomización y de aceite

Controles de temperatura de aire de entrada al pre-calentador

Controles del cabezal de combustóleo

Requerimientos puntuales que el sistema de protección, encendido ycontrol, deberá de contener para cumplir satisfactoriamente.

Los primeros requerimientos a cumplir son los fundamentos de los sistemas

de combustión en calderas, en los que se basarán la lógica de la operación:

a. Establecer procedimientos de operación con una mínimacantidad de operaciones manuales.

b. Establecer procedimientos que resulten en una operación biendefinida y controlada.

c. Proveer entre-enlazamientos (comúnmente llamadas interlockspor su nombre en inglés), en las señales de los sistemas, paraasegurar secuencias apropiadas de operación y de interrupción,cuando las condiciones no sean correctas para el desarrollo

apropiado de la operación.d. Establecer procedimientos de purga y de arranque con los

interlocks necesarios.e. Proveer procedimientos de operación escritos y hojas de

chequeo detallados como guía del operador, para saber y poderutilizar todas las funciones manuales y automáticas deoperación.


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II. Además también se piden, entre los requerimientos del equipo, losfuncionales de sistemas de quemado de combustible, dentro de loscuales tenemos los de programa lógico siguientes:

a. Proveer medios para el arranque, operación y apagado delproceso de combustión, incluyendo aperturas de válvulas yconfiguraciones en los ensambles de componentes, parapermitir su observación, medición, y control.

b. Incluir los siguientes subsistemas, como apliquen: manejadoresde aire, manejadores de combustible, quemado principal decombustible, encendido del piloto, remoción y re-inyección delos productos de combustión.

c. Cada uno deberá de ser seleccionado e interconectado para

alcanzar los requerimientos estipulados en el diseño yseguridad de la caldera.d. Proveerse de válvulas de corte dedicadas para los cierres de

seguridad, con alarmas de posición, interlocks, éinstrumentación de control.

III. La lógica del sistema para el manejo de quemadores deberá de incluirlos siguientes requerimientos generales.a. Proveer salidas en una secuencia particular, en respuesta a,

entradas externas y lógica interna.b. Ser diseñado específicamente para la caldera, así que, una sola

falla en ese sistema se realice la secuencia de apagadoapropiado solo para esa caldera.Además de que, deberá de contener los siguientesrequerimientos específicos como un mínimo, asegurando que elsistema lógico para el manejo de quemadores, alcance loestipulado en la NFPA:

1. Alarmas2. Efectos de una falla3. Diseño4. Requerimientos para un control dedicado5. Cerrado momentáneo de válvulas de combustible6. Dispositivos del circuito7. Documentación


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Diagrama general de una caldera para poder monitorear todas sus variables en la pantalla de

una computadora por medio de gráficos, para saber cómo se comporta en todo momento-

Grafico de indicadores digitales conforme se accionen sensores y actuadores en la caldera.


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Grafico de indicadores digitales del la supervisión del sistema de alimentación de agua conforme

se accionen sensores indicadores de nivel así como los actuadores de apertura y cierre de

suministro de este fluido para asegurar la seguridad en la caldera

8. Controladores lógicos programables

1. Alarmas.Las alarmas deberán de ser generadas para indicar el malfuncionamiento, condiciones peligrosas, y una operación no adecuadade equipo.

2. Efectos de una falla.El diseñador de la lógica deberá de evaluar todos los modos de falla

de los componentes, y como mínimo, las siguientes fallas deberán deser localizadas y analizadas:a. Interrupciones, exclusiones, caídas, recuperación,

sobrepasos y perdidas parciales de carga.b. Corrupción y pérdida de la memoria.c. Corrupción y pérdida en la transferencia de información.d. Entradas y salidas (con falla, sin falla).e. Señales que no son leeibles.


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f. Falla en localizar errores.g. Fallas de procesador.h. Falla en la bobina del relevador.

i. Falla en el contacto del relevador (con falla y sin falla en labobina).

3. DiseñoEl diseño del sistema lógico para el manejo de quemadores deberá deincluir los siguientes requerimientos:

a. Los diagnósticos del monitoreo de la función lógica delprocesador.

b. Que la falla del sistema lógico, no impida la intervención del

operador.c. Protección de la lógica contra cambios no autorizados.d. Tampoco se le podrán hacer cambios a la lógica mientras el

equipo que tenga asociado, esté en operación.e. El tiempo de respuesta del sistema (desde la lectura de una

señal hasta la respuesta del sistema), deberá de ser cortopara prevenir efectos negativos sobre la aplicación.

f. La protección contra efectos de ruido deberá de prevenir a lacaldera en contra de una falsa operación.

g. Ninguna sola falla de algún componente, dentro del sistema

lógico, deberá de provocar un disparo maestro decombustible.

h. El operador de la caldera, deberá de tener uno ó variosinterruptores manuales, que deberán de poder actuar alrelevador del disparo maestro de combustible, directa éindependientemente de la lógica que se esté procesando enese momento.

i. Por lo menos, un interruptor manual de disparo, estaráidentificado y localizado remotamente donde pueda seralcanzado en caso de emergencia.


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4. Requerimientos para un controlador dedicado

a. El sistema para el manejo del quemador deber de estar

provisto con; una lógica, sistema de entradas, de salidas yfuentes de alimentación, independientes.

b. Las funciones de seguridad para el manejo del quemadordeberá de incluir, sin estar limitadas a :

i. Interlocks de purga y tiempoii. Apagados de seguridad mandatarios

iii. Intentos por tiempo para el encendido del pilotoiv. Monitoreo de la flama

c. El sistema lógico deberá de estar limitado a sólo una caldera

por sistema.d. El mismo tipo de hardware utilizado para los sistemas delmanejo de quemadores, podrá ser utilizado en los otrossistemas lógicos.

e. Deberán de ser permitidas las vías de comunicación de datosentre el sistema de quemadores y los demás sistemas de lacaldera.

f. Las señales para iniciar los disparos maestros decombustible, deberán de estar cableadas físicamente.

5. Cerrado momentáneo de válvulas de combustible

Las secuencias lógicas ó dispositivos que intenten causar un apagadode la caldera por seguridad, una vez inicializados, deberán deprovocar un disparo del quemador ó del control maestro decombustibles, como sea aplicable.

6. Dispositivos del circuito

Los contactos no momentáneos, los dispositivos con resetautomático, los de control y los interruptores, que puedan causar unaoscilación de las válvulas de corte deberán de ser instalados entre elcableado de la carga del control primario ó programable y las válvulasde combustible de piloto ó principales.


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7. Documentación

La documentación deberá de ser proporcionada al departamento de

ingeniería correspondiente y al operador de la caldera.

Cuando el sistema utilice controladores lógicos programables, estosdeberán de ser monitoreados por relevadores externos, cuya funcióndeberán de ser la única y exclusivamente de monitores.

Si un relevador monitor se dispara, entonces un disparo maestro a la válvulade de combustible para la caldera deberá de ocurrir.

Los requerimientos de funcionamiento de los sistemas de disparo ymonitoreo de la flama que se requieren son:

Las situaciones inestables de combustión deberán de ser alarmaspara el operador para que realice acciones correctivas.

Un paro de emergencia del equipo involucrado deberá de serautomáticamente iniciado cuando exista una detección de falla decombustión criticos que pudieran contribuir a la acumulación decombustible no quemado.

El sistema de control de combustión también tiene requerimientosfuncionales, que se mencionan a continuación:

El sistema de control de combustión deberá de regular las entradasdentro de la cámara de combustión para asegurar la continuacombustión y una flama estable bajo las condiciones normales deoperación.

El control de tiro forzado deberá de estar coordinado con el sistema de

combustión. Los sistemas de control de agua de alimentación, control de presión

diferencial de vapor de automatización y de aceite, control detemperatura de aire de en entrada al precalentador y control delcabezal de combustóleo, deberán de ser parte del sistema de controlde combustión.


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No menos importantes, son los siguientes requerimientos adicionales de lossistemas de control de combustión.

Cualquier comando lógico del sistema para el manejo del quemadordeberá de anticiparse al sistema de control de combustión.

El control de tiro deberá de ser mantenido en control automático.

El control automático de las entradas del combustible que deberá serpermitido, a no ser que, el flujo de aire sea mantenido en controlautomático.

Se deberán de tomar precauciones para asegurar la disponibilidad defuentes de alimentación de poder, libres de fallas (eléctricas óneumáticas), para todos los dispositivos de control y seguridad.

En cuanto a la información de la operación requerida, tenemos lossiguientes fundamentos:

Deberán de estar simultáneamente disponibles como un mínimo, en lazona de operación las siguientes variables de proceso:

Pantallas de tendencia continua de flujo de vapor Rango de flujo de agua de alimentación Rango de flujo total de combustible Rango total de flujo de aire como un porcentaje de la carga máxima

de la unidad

Nivel del domo Temperatura final de vapor

Presión de vapor principal

Tiro de hogar o cámara de combustión Las alarmas y los indicadores deberán de estar agrupados

operacionalmente y deberán de ser visibles al operador para permitirlesu fácil reconocimiento.

Todos los indicadores de alarmas de emergencia, botones y selectores,deberán de estar etiquetados claramente y protegidos para evitar suactuación inadvertida.

Todas las funciones de control deberán de estar agrupadas para una fácilaccesibilidad, estar cerca de sus alarmas asociadas y dispositivos deindicación.

Donde sean usadas las unidades con gráficos dinámicos.

Los datos deberán de ser desplegados en pantallas de monitor, enuna agrupación lógica y operacional, para la minimización de las


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operaciones de tecleado requeridas para responder a los ajustesdel sistema.

Las funciones de alarma deberán de ser prioritarias y aparecer en

la pantalla del monitor al momento de ser censadas por el sistema,no importando la información que en ese momento esté siendodesplegada.

De suma importancia son los sistemas de interlocks básicos necesariosentre los sistemas de operación de la caldera, para poder lograr lossiguientes requisitos de seguridad:

1. Proteger al personal de accidentes2. Proteger al equipo de daños3. Proteger la operación de la caldera limitando las acciones a una

secuencia de operación preestablecida o por dispositivosiniciadores de disparos cuando se aproxime un “fuera de rango” ouna condición de operación inestable.

La siguiente figura muestra el sistema mínimo requerido de interlocksy disparos automáticos mandatarios, que deberán ser proveídos parauna protección básica del hogar en una operación de caldera conmúltiples quemadores, de acuerdo a éste código.


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SISTEMA DE PROTECCION Y ENCENDIDO PROPUESTO PARA SOLUCIONAR EL

PROBLEMA

La propuesta que se presenta para la caldera de tubos reflejantes, es laimplementación de un sistema de protección y encendido del tipo “Controlremoto de secuencia manual”, también llamado “Manual supervisado”,usando para este fin un control distribuido marca Bailey que consta de:

Dos gabinetes con: 1 módulo procesador multifunciones, con el control principal

para el sistema de protección y encendido.

1 procesador redundante, que tendrá todas y cada una de lasentradas digitales y analógicas del control principalLos dos estarán efectuando la misma lógica, al mismo tiempo,de esta forma, cuando suceda cualquier problema con elprocesador principal que lo haga fallar, el redundante entraráautomáticamente a sustituir las señales en las tarjetas desalidas digitales y analógicas, logrando con esto la NOinterrupción de la operación de la caldera.

5 módulos de entradas y salidas de control. 2 módulos maestros analógicos. 2 módulos de entradas analógicas.

2 módulos de entradas de temperatura. 6 módulos de entradas digitales. 11 módulos de salidas digitales de 120VCA. 2 módulos de salidas digitales a 24VCD.

Fuentes de alimentación de módulos, cables de conexión ycomunicación.

Una estación de OIS de interfase con el operador.Con la pantalla de tacto comúnmente llamada “ touch screen” por sunombre en inglés, con los gráficos dinámicos para la visualización y

control de las siguientes condiciones de las entradas y salidas de lacaldera y de los controles asociados.

o Indicación de la flama.o Posición de los interruptores, ya sea abiertos o cerrados.o Indicaciones de temperatura, presión, velocidad, nivel, % de

oxígeno, % de apertura de válvulas y compuertas.o Arrancar y parar motores.o Abrir y cerrar válvulas.


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o Cambio de los valores de ajuste en los controles de aire, agua,combustible, y carga de la caldera.

Una unidad de control y supervisión del proceso.

Dos impresoras matriciales. Cuatro unidades de alimentación interrumpida.

Comúnmente llamadas “UPS” por sus siglas en inglés, con salida de120 VCA.

La lógica propuesta para la caldera tomará en cuenta, el grado deflexibilidad de operación requerida para el sistema de control dequemadores, y estará estrechamente relacionada con el grado de

participación del operador.

El alto nivel de automatización propuesto, reducirá la incertidumbre deloperador en el manejo de situaciones donde una parte del equipo falle o notrabaje adecuadamente, proporcionando mayor seguridad al sistema y de lacaldera misma en situaciones de alto riesgo.

El método usado para proporcionar más flexibilidad en la operación de lacaldera, será el permitir la participación del operador en varios niveles, losmás importantes en el programa del sistema lógico.


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CARACTERISTICAS DEL SISTEMA DE PROTECCION YENCENDIO PROPUESTO

A. El sistema propuesto constará de las siguientes car ac teríst ic aspr incipales incluidas y desarrolladas para el sistema de protección:

1. Falla total de la flama.2. Pre-purga.3. Purga4. Supervisión del cabezal de gas de pilotos.5. Supervisión y disparo del cabezal general de gas.6. Supervisión y disparo del cabezal general de combustóleo.

7. Encendido del piloto por quemador.8. Encendido del quemador de gas por quemador.9. Encendido del quemador de combustóleo por quemador.10. Disparos generales y la primera alarma.11. Señalización para el proceso de encendido, caldera de

operación y disparos (primer disparo).B.Este control secuencial se clasifica dentro de las categoría de “manual

supervisado” con cierto grado de control automático de secuencia,tomando en cuenta la participación que tendría el operador sobre lasdecisiones del sistema.

C. El sistema proporcionara las siguientes funciones lógicas:

1. Solicitará, supervisará, señalará purga adecuada de la caldera,después de una falla total de la flama u otro de los disparosgenerales de la caldera y antes de encender el primer piloto.

2. Señalará cual fue la causa del primer disparo.3. Señalará “iniciar purga” solo si previamente se han cumplido

los requisitos de pre-purga.4. Señalará y adoptará como permis ivos d e purga todas y cada una

de las siguientes condiciones:

Existe un disparo general Todas las válvulas de corte de gas a quemador están

cerradas

Todas las válvulas de corte de combustóleo a quemadorestán cerradas.

La válvula de corte del cabezal general de gas a pilotosestán cerradas.


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La válvula de corte del cabezal general de gas estácerrada.

La válvula de corte del cabezal general de combustóleo

está cerrada. Existe flujo de aire mayor al 25% a través de la caldera.

5. El tiempo de purga se iniciará a voluntad del operador y seseñalará.

6. La terminación de purga se señalizará y actuara como permisivopara restablecer cualquier disparo general.

7. La terminación de purga iniciara al tiempo requerido, el cual esde 10 minutos, para encender el primer disparo.

8. Al desaparecer el disparo general también llamado “d isparomaestro” el sistema supervisara el cabezal general de gas apilotos, para permitir que el operador abra la válvula de cortede éste, y cuando el operador la haya abierto, el sistema leindicará con una luz, que abrió, cuando efectivamente estohaya sucedido.

9. Si durante la purga y el proceso de encendido ocurriera unnuevo disparo general, el sistema regresaría a “purgarequerida”, señalizándole la causa del disparo.

10. Supervisará el cabezal de gas.

11. Supervisará el cabezal general de combustóleo.12. Los quemadores o sus respectivos pilotos podrán ser

encendidos en cualquier orden.13. El piloto se podrá encender al cumplirse sus permisos

fundamentales como son: Falla de la flama de ese piloto El cabezal de gas a pilotos esté correcto

Las válvulas de corte de gas a quemador y corte decombustóleo a quemador estén cerradas.

14. Solamente el piloto esté encendido, que la flama esté detectaday que no haya disparo en el correspondiente cabezal decombustible, entonces se podrá encender el quemadorprincipal asociado a ese piloto.

15. El piloto se apagará en cualquiera de los siguientes casos: No haya detección correcta de flama.

Se haya estabilizado la flama del quemador principal Entre un disparo general


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Exista falla en el cabezal de gas a pilotos

Exista un disparo manual a criterio del operador16. El quemador principal de gas se apagará cuando cualquiera de

los siguientes casos exista o esté presente: Falla de la flama

Un disparo maestro

Falla en el cabezal general de gas Un disparo manual a criterio del operador

17. El quemador de combustóleo se apagará cuando cualquiera delos siguientes casos exista o esté presente:

Falla de la flama

Un disparo maestro

Falla en el cabezal de combustóleo Baja temperatura en la línea de combustóleo.

18. Al abrir la válvula de corte de gas a quemador o la de corte decombustóleo a quemador, empezará a contar el tiempo deestabilización de la flama del quemador, al cabo del cual, elquemador que está encendido, se apagará el piloto.

19. Los disparos generales actuarán desde la purga hasta elencendido de los quemadores y en la operación normal de lacaldera.

20. Un disparo general cerrara inmediatamente todas las válvulasde corte de combustible en los cabezales generales y en losquemadores.

21. Los disparos generales serán:

Horno oscuro Disparo del ventilador de tiro forzado Bajo nivel del domo

Retardo del encendido Disparo manual por el operador

Alta presión en el hogar

Alta relación aire-combustible22. El disparo por relación de aire-combustible, operará solamente

cuando estén encendidos los 4 quemadores de aceite o los 4quemadores de gas.


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SISTEMAS PRINCIPALES Y SECUENCIA DE OPERACIÓNPROPUESTOS

La secuencia de operación será indicada por las luces y señales deinstrumentación para el encendido y operación de la caldera.

Como se ha dicho, los circuitos están entrelazados entre sí, pero se puedeconsiderar que funcionalmente se identifican en los siguientes sistemas:

A. Sistema de purgaB. Sistema de disparo general de gasC. Sistema de disparo general de combustóleo

D. Sistema por quemadorE. Sistema de disparos generales

SISTEMAS DE CONTROL PROPUESTOS

Para eliminar los problemas actúales referentes al control de los sistemas enla caldera proponemos los equipos electrónicos tipo PID, integrados en uncontrol Distribuido marca Bailey. Se listan a continuación los sistemasinvolucrados en esta solución:

1. Sistema de control de combustión2. Sistema de control de agua de alimentación3. Sistema de control de presión diferencial vapor atomización y aceite4. Sistema de control de temperatura aire entrada al precalentador5. Sistema de control de cabezal de combustóleo


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1. SISTEMA DE CONTROL DE COMBUSTIÓN PROPUESTO

El sistema de control de combustión tendrá por objeto mantener la relaciónaire-combustible en la mezcla más apropiada para una excelentecombustión, esto es, no tener exceso de aire mayor o menos al necesario.

El exceso de aire mayor al necesario provocaría perdida de calor y esfuerzoinnecesario utilizando en mandar el excedente a la zona de combustión.

La correcta relación aire-combustible será lograda mediante el monitoreo delporcentaje de oxigeno dentro de los gases de salida de la combustión.

El sistema de combustión considerará la utilización de gas natural o

combustóleo, también llamado aceite, como combustibles se considerara laposibilidad de tener uno o varios quemadores utilizando uno de estoscombustibles y los restantes quemadores quemando el otro combustible.

Los 6 subsistemas del sistema de combustión propuestos para la caldera ,son los siguientes:

a. Control maestrob. Demanda de flujo de airec. Corrección de oxígeno

d. Demanda de combustiblee. Demanda de combustóleo o aceitef. Demanda de gas

En donde cada unos de estos subsistemas estará relacionado con los demássubsistemas mediante alguna ó varias de las señales manipuladas óproducidas por algunos de ellos, utilizadas como entradas óretroalimentaciones por algún otro subsistema.


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A continuación se presenta un esquema del sistema de combustiónpropuesto para la caldera :

a. CONTROL MAESTROHardware Propuesto para este control:

El producto principal de la caldera es vapor, por lo tanto, el controlprincipal de la caldera será el control de ese vapor, para eso, elsistema de control propuesto para la caldera, es un modelo PID delazo cerrado de 1 elemento, el cual constará de:

Un trasmisor de presión para la presión de vapor de operaciónrequerido, este valor de presión será ajustado según la demandarequerida por el proceso destino o mejor dicho el proceso que loutilizará.Se contará con un transmisor de presión de vapor en la salida devapor de la caldera, en donde a partir de ese punto, el vapor serállamado precisamente el vapor de operación, este transmisor nos dará


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la retroalimentación necesaria para que un control PID pueda sabercuándo alcance la presión requerida y entonces pueda estabilizarse.

Software propuesto para este control:

La entrada de este control tendrá la siguiente nomenclatura:

Transmisor de presión para la “Presión cabezal de vapor20kg/cm²” PIT-5019.

Analizando la lógica del control maestro, tenemos lo siguiente: laseñal que mandará aire y combustible, ó sea, la presión de vapor, seráestablecida en este control principal al que llamaremos, “el maestro de lacaldera”, el cual estará constituido por:

El transmisor de presión de vapor, PIT-5019 Un controlador de presión tipo PID que identificaremos en la

lógica utilizada como un bloque con numero 1012, en losucesivo representaremos a este tipo de bloques en la lógicautilizada como: “BLQ”.

b. DEMANDA DE FLUJO DE AIRE

Hardware Propuesto para este control:El sistema de control de demanda de flujo de aire propuesto para lacaldera, es un modelo de 3 elementos, los cuales son:

Un transmisor de flujo de combustóleo colocado en el cabezalgeneral de combustóleo a quemadores.

Un transmisor de presión diferencial para el flujo de gascolocando en el cabezal general de gas.

Un transmisor de presión diferencial para el flujo de aire tiroforzado colocando en el lado de salida de aire del ventilador detiro forzado.

Este control tendrá por el objetivo el proporcionar la demanda de airerequerida por el control de combustión a todo lo largo de la curva deoperación desde fuego mínimo hasta máxima carga, ya que esta señalentrará a un control PID y el elemento de control será un servomotorque controlará la apertura de las compuertas de descarga delventilador de tiro forzado.


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Las entradas y salidas de este control tendrán la siguiente

nomenclatura:

Transmisor de flujo para el “Flujo combustóleo” FIT-5005. Transmisor de presión diferencial para el “flujo gas cabezal”

FIT-5003

Transmisor de presión diferencial para el “flujo aire tiro forzado”FIT-5004

Servomotor para “compuestas descarga turbo VFT” FZ-5001

c. REAJUSTE DE OXIGENOHardware Propuesto para este control:El sistema de control de reajuste de oxigeno propuesto par la caldera,es un modelo de 2 elementos, los cuales son:

Un analizador de oxigeno para el porcentaje de oxigeno en lasalida de gases en la chimenea de la caldera.

Un transmisor de flujo para el flujo de vapor a la salida de lacaldera.

Este control tendrá por objetivo el mantener la correcta cantidad deoxígeno en los gases a la salida de la caldera, ya que ésta señalentrará a un control PID y el elemento de control será una señal deporcentaje de oxígeno que se adicionará como corrección a la señalde flujo de aire para entrar al control PID del flujo de aire.

La operación automática efectuará una corrección sobre el flujo deaire caracterizado para mantener al oxigeno dentro de los parámetrosestablecidos en las pruebas de combustión, ya que la caldera operarábajo un patrón definido por el exceso de aire, en función de la carga,estableciendo con ellos los parámetros de liberación de calor,presiones, temperaturas y fluidos más apropiados para la operaciónde la unidad.


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nomenclatura:

Analizador de oxigeno “gases de combustión” AIT-5001 Trasmisor de flujo “ flujo de vapor” FIT-5001

Señal de reajuste de oxígeno

La lógica para el reajuste de oxígeno generará una señal que entrarácomo corrección al flujo de aire caracterizado para retroalimentar alcontrolador PID de aire BLQ1023, vía los bloques 890 y 1021.

d. DEMANDA DE COMBUSTIBLE

Hardware Propuesto para este control:El sistema de control de combustible propuesto para la caldera, es unmodelo de 3 elementos, los cuales son:

Un transmisor de flujo para el flujo de combustóleo colocado enel cabezal de combustóleo.

Un transmisor de flujo para el flujo de gas colocado en elcabezal de gas.

Un transmisor de presión diferencial para el flujo de aire tiroforzado colocado en el lado de salida de aire del ventilador detiro forzado.

Este control tendrá por objetivo el proporcionar al control maestro elcombustible requerido manteniendo en todo momento la correctarelación aire-combustible para una perfecta combustión de loscombustibles alimentados, ya que estas señales entrarán a doscontroles PID y los elementos de control serán:

Una válvula de control de combustóleo colocada en el cabezalgeneral de combustóleo.

Una válvula de control de gas colocada en el cabezal general degas.


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nomenclatura:

Transmisor de flujo “flujo combustóleo” FIT-5005 Transmisor de flujo “flujo gas cabezal” FIT-5003

Transmisor de presión diferencial “flujo aire tiro forzado” FIT-5004

Válvula de control “flujo de gas a quemadores” FCV-5001

Válvula de control “ flujo de combustóleo a quemadores”FCV-5002

La señal de control maestro se comparará en el sector de señalBLQ1013 en términos de porcentaje con el flujo de aire caracterizado(y sin corrección de oxígeno), y se seleccionará la menor de entre lasdos señales, la del control maestro o la del flujo de aire.

e. DEMANDA DE COMBUSTÓLEO O ACEITE

Software Propuesto para este control:Al controlador PID de aceite BLQ1015 se le aplicará la señal de

demanda (vapor de ajuste variable con la carga), de aceite para quegenere una señal de control que a través de la estación “M/A FLUJOACEITE” BLQ376 FIC-5002, establezca la apertura de la válvula decontrol de aceite.El medidor de flujo másico para el aceite FIT-5005 censará el flujo decombustóleo, el cual se totalizará con el flujo de gas, si tuvieranencendidos uno o varios de los quemadores con gas, y seretroalimentara al controlador de aceite para informarle que lademanda de aceite ha sido satisfecha, o que debe de corregirse sifuese insuficiente o haya sido excedida.

f. DEMANDA DE GAS

Software Propuesto para este control:Al controlador PID de gas BLQ1026 se le aplicará la señal dedemanda de gas para que genere una señal de control que a través de


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la estación “M/A FLUJO GAS” BLQ382 FIC-5001 establezca la aperturade la válvula de control de gas.

El transmisor de flujo de gas FIT-5003 retroalimentará al control que lademanda de gas ha sido satisfecha, o que debe de corregirse si fueseinsuficiente ó haya sido excedida.

2. SISTEMAS DE CONTROL DE AGUA DE ALIMENTACIONPROPUESTO

3.

Hardware Propuesto para este control:

El sistema de control de agua de alimentación propuesto para la caldera esun modelo de 3 elementos, los cuales son:

Un transmisor de presión diferencial para el flujo de vapor a la salidade la caldera.

Un transmisor de presión diferencial para el flujo de agua dealimentación en la línea del agua que entrará al domo.

Un transmisor de presión diferencial colocado en el domo para el niveldomo.

Este control tendrá por objetivo el mantener constante el nivel de agua del

domo ya que estas tres señales entraran a un control PID y el elemento decontrol será una válvula de control colocada en la línea de agua dealimentación al domo.

Software Propuesto para este control:

Las entradas y salidas de este control tendrán las siguientes nomenclaturas:

Transmisor de presión diferencial “flujo de vapor” FIT-5001 Transmitir de presión diferencial “nivel del domo” LIT-5001

Transmitir de presión diferencial “flujo de agua de alimentación” FIT-5002

Válvula de control “agua alimentación” FCV-5003

El flujo de vapor, será transformado en el BLQ675, para poder corregirloalgebraicamente en el BLQ1001 con el nivel del domo, de esta formapodremos manejar señales diferentes como son flujo y nivel.


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3. SISTEMA DE CONTROL DE PRESION DIFERENCIAL VAPORATOMIZACION Y ACEITE PROPUESTO


Los elementos que intervendrán en éste sistema de control propuesto son:

Un transmisor de presión para la presión de aceite a quemadores.

Un transmisor de presión para la presión de vapor de atomización aquemadores.

Y tendrán por objeto mantener una presión diferencial constante, a cualquiercarga, entre el vapor de atomización y el aceite a quemadores ya que estas

señales entran a un control PID y el elemento de control será una válvula decontrol de vapor de atomización colocada en la línea de vapor deatomización.


Las entradas y salidas de este control tendrán la siguiente nomenclatura:

Transmisor de presión”presión de aceite a quemadores” PIT-5010.

Transmisor de presión “presión de vapor atomización a quemadores”

PIT-5011. Válvula de control “vapor atomización” PCV-5002.}

La presión diferencial entre el vapor de atomización y el aceite a quemadoreses un valor de ajuste que será colocado por el operador desde una estación“M/A PRES DIF VAPOR ATOM Y ACEITE” BLQ405 PIC-5002.


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4. SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA AIRE ENTRADA ALPRECALENTADOR


El objetivo de este sistema de control será mantener una diferencia mínimade 120°C de temperatura entre los gases de combustión saliendo del pre-calentador de aire y el aire entrando al mismo, con la finalidad de evitar quelos gases se enfríen a una temperatura inferior el punto de rocío, secondensen por consiguiente y provoquen corrosión en el pre-calentador porla posible formación de ácido sulfúrico dado el contenido de azufre en elaceite.

Los elementos que intervendrán en éste sistema de control propuesto son:

Termopar tipo “J” para la temperatura del aire a la entrada del pre -calentador de aire a vapor.

Un termopar tipo “J” para la temperatura de gases a la salida del pre-calentador tubular.


Las entradas y salidas de este control tendrán la siguiente nomenclatura:

Termopar tipo “J”, “temperatura aire entrada pre-calentador tubular(de aire a vapor)” TE-5015.

Termopar tipo “J”,”temperatura gases salida pre-calentador tubular”TE-5014.

Válvula de control “vapor a pre-calentador” TCV-5001.


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5. SISTEMA DE CONTROL DE CABEZAL DE COMBUSTÓLEO PROPUESTO


El objetivo de este sistema de control será mantener una temperaturaadecuada de operación en el cabezal de combustóleo, así como, mantenertambién la presión requerida en el mismo cabezal de combustóleo.

Esto es necesario para estar dentro de las condiciones optimas para obtenerel mejor aprovechamiento de este combustible con el menor esfuerzoposible. Además de mantener el sistema con la seguridad establecida en lasnormas “NFPA 85” de manejo de combustibles.

Software Propuesto para este control:Las entradas y salidas de este control tendrán la siguiente nomenclatura:

Termopar tipo “J”, “temperatura de combustóleo cabezal general” TE-5013.

Transmisor de presión “presión aceite combustible cabezal generalcalderas” PIT-5022.

Válvula de control “calentadores de combustóleo” TCV-502. Válvula de control “presión combustóleo cabezal general” PCV-504.

La temperatura del combustóleo en el cabezal general es comparada en elcontrolador PID de temperatura BLQ92 contra el vapor de ajuste colocadopor el operador en la estación “M/A CALENTADORES DE COMBUSTÓLEO”BLQ110 TIC-5013.

La salida de esta estación es suministrada como entrada a la válvula decontrol a los calentadores de combustóleo para mantener controlada estatemperatura.

DIAGRAMAS PROPUESTOS DE LA LOGICA DE LOS SISTEMAS DE

CONTROL PROPUESTO

Por lo tanto, se observan estos entrelazamientos en los siguientesdiagramas de control:

CONTROL DE COMBUSTION

CONTROL DE AGUA DE ALIMENTACION CONTROL DE PRESION DIFRENCIAL VAPOR ATOMIZACION Y ACEITE


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CONTROL DE TEMPERATURA AIRE ENTRADA AL PRECALENTADOR

CONTROL DEL CABEZA DE COMBUSTÓLEO


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CONCLUSIONES DEL ARRANQUE DEL SISTEMA DEPROTECCION, ENCENDIDO Y CONTROL DE A CALDERA DE

TUBOS REFLEJANTES.

Se concluye, de las variables de proceso, tomadas en el arranque de lacaldera y mostradas en las graficas del capítulo anterior las siguientesaseveraciones:

Del dibujo se concluye que la presión del vapor de atomización siguelinealmente a la presión de aceite a lo largo de todo el rango deoperación del flujo de aceite.Estos datos demuestran la correcta atomización del aceite encualquier carga de operación de la caldera, utilizando los valoresobtenidos en el arranque e introduciéndolos en el sistema de control,para su utilización en automático.

El dibujo “B” demuestra que siempre se tiene exceso de oxígeno a lasalida de la chimenea, tanto en el analizador de oxígeno marcaRosemount, como en el analizador marca Orsat, desde un 15% deexceso de oxígeno a carga mínima hasta una recuperación de lamezcla de aire-combustible, con un 3% de exceso de oxigeno, a partir

de 30 toneladas por hora, de carga de vapor.

Con esto de demuestra la eficiencia del sistema con el consumo deaceite desde la mitad de la carga hasta máxima carga, que es el rangoen donde normalmente operará la caldera.

En el dibujo “C” se puede visualizar como va aumentando el flujo deaire conforme va aumentando el flujo de aceite esto demuestra juntocon el ajuste de oxigeno a la salida de la chimenea, el correcto controlde la mezcla aire-combustóleo.

Con los datos obtenidos de los dibujos “D” y “J”, se demuestra la

correcta caída de aire desde el VTF, hasta el hogar pasando por el pre-calentador, en donde se transfiere calor de los gases de salida al airede entrada, la caja de aire que distribuye el aire a los cuatroquemadores llegando a la zona de la combustión en el hogar.

El dibujo “D” confirma que el porcentaje de oxigeno a la salida de lacaldera va en disminución de un 5% en fuego mínimo hasta un 2.1%en máxima carga, tomando para desde el flujo mínimo de gas, hasta


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un máximo flujo de 5000 m³/hr, además, se ve que las presiones vanen aumento siguiendo al flujo de gas, esto demuestra la correctaeficiencia lograda por el control de aire-combustible.

Con el uso del aceite como combustible, se puede observar el mismocomportamiento de estas presiones hasta el flujo de aceite máximo de4500 Kg/hr, según lo demuestra el dibujo “J”.

También verificamos con el dibujo “L”, que el exceso de aire, cuandose está quemando gas natural va de un 26% en fuego mínimo hasta un10% y se mantiene constante desde una carga menor a 68 millones deBTU/hr, hasta máxima carga.

En el dibujo “M”, se ve el exceso de aire cuando se está quemandocombustóleo, que va desde 25% en el fuego mínimo hasta un 15%

mantenido desde 68 millones de BTH/hr hasta máxima carga, lo que lahace altamente eficiente con respecto a la especificación requerida.

El dibujo “H” nos entrega los datos que se obtuvieron durante lasdiferentes cargas con combustóleo en que se probó la caldera en elencendido.Estos valores de porcentaje de apertura de las compuertas deservomotor del VTF con su correspondiente valor de flujo decombustóleo, fueron introducidos en la base de datos de sistema,para que los utilizaran los bloques 1027 y 1028. Con lo cual, el controldel servomotor del VTF, 1720 RPM, está controlando la apertura de

sus compuertas. El dibujo “I” muestra el mismo control de apertura de compuertas de

aire del VTF con relación al flujo de combustóleo, indicando losvalores obtenidos en el arranque, pero utilizando la turbina del VTF yse demuestra que falta aire después de una carga de la caldera de 54T/H.Por lo tanto, esta turbina, a esa carga, tendrá que estar junto con elservomotor VTF, para mantener la relación de aire con combustóleo, ode lo contrario, el sistema no permitirá la entrada más combustóleoaunque así lo requiera la carga solicitada a la caldera.

Finalmente, el dibujo “K”, hace un resumen de los valores obtenidosen el arranque, desde carga mínima, hasta máxima carga, con gas,combustóleo, y con ambos, confirma que la caldera puede entregar elvapor requerido para el proceso industrial que nos ocupa.


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Si consideramos que en la caldera podemos censar todas las variables demedición como binarias, podemos describirlas de la siguiente manera:

En el tanque de suministro de la caldera siempre habrá nivel alto o bajode agua, en donde el proceso podrá seguir cuando el nivel este en alto y seapagará cuando esté en nivel bajo.

Para el quemador se requerirá que tenga presión de gas o que en casocontrario se apague el proceso por no existir combustible

Para el aire se tendrá nivel bajo de presión para mantener encendido elquemador a una temperatura para mantener el proceso o un nivel alto de

presión para mantener poder generar vapor elevando la temperatura.

Dentro de la caldera se tendrá presión de vapor alto cuando esté a lapresión y temperatura adecuadas para que se abra la electroválvula parapasarla al filtro secador de vapor o si no hay suficiente presión de vaporla electroválvula permanecerá cerrada.

Debe existir un paro de emergencia para suspender todo elfuncionamiento de la caldera sin apagarla por cualquier evento que alteré

las condiciones normales de seguridad.

Por lo que definiremos:

Salidas:

Q1 Contactor del circuito de luces

Entradas:

I1 Pulsador de conexión manual

I2 Pulsador de desconexión manual

Otros:

R1 Reloj semanal ajustado L-K-M-J-V-S-D de 17:30 a 5:30


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R2 Reloj semanal ajustado L-K-M-J-V-S-D de 18:00 a 18:05

T1 Relé de tiempo con impulso a la desactivación ajustado a 1s.

Diagrama de programación lógica en escalera o eléctrico

Diagrama de programación lógica en bloques

Tabla de verdad para Q1


Mapas de Karnaugt

Sólo utilizaremos los términos indiferentes necesarios para lasimplificación.

De los agrupamientos deducimos la función simplificada:

Simulaciones:



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Todo esto se puede expresar en una tabla de Karnauth quedando de laforma siguiente:

Sólo utilizaremos los términos indiferentes necesarios para lasimplificación.


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De los agrupamientos deducimos la función simplificada:

Diagrama de programación lógica en bloques

Diagrama de programación lógica en escalera o eléctrico


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Si utilizamos los programas de simulación para el PLC de marcaSiemens Modelo 7-200 , se puede comprobar y ver el correcto

funcionamiento para controlar el proceso, por lo que a continuacióncolocaremos las pantallas para indicar que se realizaron dichassimulaciones:

Simulaciones:

Simulación del sistema usando el programa STEP – 7, de diagrama de

escalera en una computadora , para probar el funcionamiento de las funciones

lógicas propuestas con anterioridad.


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Simulación del sistema usando el programa STEP – 7, de simulación del PLC

donde ya se han grabado adecuadamente el diagrama de escalera en una

computadora , para probar el funcionamiento con las entradas sustituidas por

interruptores y sus salidas indicadas por los led’s del instrumento de control.


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Después de ver que estos programas operaron correctamente se hicieron las conexiones necesarias

para hacer que el PLC 7-200 operara en forma automática la caldera, lo cual fue un completo

éxito.

Gráficos indicadores del buen funcionamiento de la caldera usando el simulador del STEP – 7 , para

hacer fácil la interpretación de la alimentación de agua y la operación completa de los controles del

PLC.


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Conclusiones

Si definimos correctamente las variables de un proceso como una caldera

simple, un PLC puede operar dicho sistema en forma segura y autónoma con

un alto nivel de seguridad.

Siempre es necesario usar los simuladores de los PLC´s para cerciorarnos de

que las funciones lógicas encontradas y propuestas para ser programadas

dentro de esté controlador digital, realizarán todos los comandos con todas las

posibilidades de una operación segura.

Los gráficos desarrollados para indicar la operación de la caldera, el sistema

de suministro de agua y funcionamiento de las variables de la caldera,

quedaron ligadas a un sistema de adquisición de datos que se introdujo al

puerto serie RS 232 de la computadora, indicando con fidelidad y precisión

los niveles y estados de las variables para saber en todo momento como se

comporta esta.


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BIBLIOGRAFÍA

-Programable Logic Controllers. Third Edition. Frank D. Petruzella.

Ed. Mc Graw Hill.

-Manual del Sistema de Automatización S 7-200. Siemens SIMATIC.Edición 08/2005.

-Manual de Calderas Clever.

-Manual de Calderas Selmec.


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GLOSARIO DE TÉRMINOS

PLC´s. Controlador Lógico Programable.

PLC-7-200 de Siemens. Controlador de 14 entradas y 10 salidas.

Control manual. Operación de mandos por medio de un operario.

Control remoto. Regulación de variables a distancia.

Control automático. Regulación de parámetros en forma autónoma por

medio de un PLC.Caldera de tubos reflejantes. Son aquellas que radian calor al agua pormedio de tubos.

Domo de la caldera. Parte superior en donde se concentra la mayorcantidad de vapor.

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Sistema Control