Instrumentación, Control y Automatización Industrial

El control de una caldera es un tema extenso que incluye tanto los procedimientos de arranque y parada como los enclavamientos de seguridad y la operación en continuo de la caldera. Tradicionalmente al desarrollar el control de una caldera, las acciones de modulación de la misma se desarrollaban con equipos analógicos (continuos). Las secuencias de arranque y parada, así como los enclavamientos, son acciones digitales (todo/nada) que implicaban equipos digitales. Actualmente, debido a los avances en los sistemas basados en microprocesador es posible integrar estos dos sistemas en uno solo, aunque se siguen manteniendo algunos condicionantes en lo que se refiere a los equipos dedicados a la seguridad de la caldera.

Para poder desarrollar una aplicación de control adecuadamente es necesario entender correctamente los objetivos del sistema de control. En el caso de las calderas de vapor existen tres objetivos básicos:

• Hacer que la caldera proporcione un suministro continuo de vapor en las condiciones de presión y temperatura deseadas.

• Operar continuamente la caldera al menor coste de combustibles manteniendo un alto nivel de seguridad.

• Arrancar y parar de forma segura, vigilar y detectar condiciones inseguras y tomar las acciones necesarias para una operación segura en todo momento.

Los dos primeros objetivos serán realizados por lo que tradicionalmente se conoce como sistema de control analógico, mientras que el tercero será labor del sistema de seguridades y manejo de quemadores.

Un diagrama básico de una caldera podría representarse como se muestra en la Figura 1-1.

En esta figura se pueden diferenciar dos sistemas distintos. El primero sería el sistema agua-vapor. En él, el agua que se introduce en la caldera es convertida en vapor, que sale de la caldera al recibir el calor necesario mediante la transferencia de calor a través del metal de los tubos. El segundo sistema es de combustible-aire-gases que es el que proporcionará el calor que se transmite al agua.

En este sistema, el aire y el combustible se mezclan y queman en el hogar. El hogar suele estar formado por paredes de tubos de agua que reciben el calor radiante de la llama y es por tanto donde se produce la máxima transferencia de calor.

Los gases de combustión, como resultante de esta pérdida de calor, se enfrían y abandonan el hogar pasando a la zona de recuperación de calor formada por tubos de vapor en donde la llama ya no se ve y el calor se transmite por convección. Como la transmisión de calor depende, entre otras cosas, de que exista una diferencia de temperatura, la temperatura de salida de los gases será siempre algo superior a la temperatura menor del circuito agua-vapor.

Figura 1-1. Diagrama básico de una caldera

Esta pérdida de calor disminuye el rendimiento del ciclo. Al objeto de elevar dicho rendimiento, los gases de combustión suelen pasarse por algún tipo de intercambiador de calor. Un primer ejemplo sería la instalación de un economizador (Figura 1-2), que consiste en un conjunto de tubos de agua expuestos a los gases tras la zona de recuperación de calor, con el propósito de calentar el agua de alimentación y aprovechar al máximo el calor de los gases de la combustión antes de abandonar la caldera.

Figura 1-2. Caldera con economizador

Una segunda posibilidad sería aprovecharlos para elevar la temperatura del aire de entrada en lo que se conoce como precalentador de aire (Figura 1-3). En este caso se debe considerar que dichos gases pueden tener limitada su mínima temperatura si en su composición está presente el azufre. En aquellas instalaciones en las que es posible la instalación de ambos equipos lo normal sería pasar primero los gases por el economizador y después por el precalentador.