COMPENSACIÓN DEL NIVEL EN UNA CALDERA DE VAPOR

1. INTRODUCCIÓN
2. NIVEL DE AGUA DE UNA CALDERA
3. MEDIDA POR PRESIÓN DIFERENCIAL
4. ERROR EN LA MEDIDA
5. CÁLCULO DE LA DENSIDADES
6. ESPONJAMIENTO DE LAS CALDERAS

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COMPENSACIÓN DEL NIVEL EN UNA CALDERA DE VAPOR

1.  INTRODUCCIÓN

Uno de los puntos clave dentro de la regulación de una caldera de vapor, es el control del nivel de agua del calderín.

Para poder llegar a optimizar este lazo, el primer paso es disponer de una medida lo más exacta y precisa posible del nivel de agua disponible.

2.  NIVEL DE AGUA DE UNA CALDERA

En función del tamaño y tipo de caldera, los requisitos en la medida de nivel del calderín, serán más o menos estrictos.

Por ejemplo, en una caldera grande como las utilizadas en los ciclos, se requeriría:

-Dos indicaciones locales del nivel conectadas directamente al tanque.

Colocaremos un indicador a cada lado de la caldera para así poder comprobar que la caldera está correctamente nivelada, cuando esté fría y cuando esté caliente.

-Se pueden instalar dos “Standpipes” (o tubo tranquilizador) a cada lado del calderín, en los que realizaremos los picajes para los transmisores de nivel.

Nota: No siempre se instalan “standpipes” algunos prefieren realizar las tomas directamente del calderín.

-En todas las tomas realizadas en los “standpipes”, se instalará siempre doble válvula manual de al menos ¾”. A partir de la segunda válvula se montará todo el “tubing” y accesorios necesarios para el montaje del nivel.

-Podemos instalar varios medidores de nivel que serán cableados directamente al sistema de seguridad. La función de estos medidores será exclusivamente, la de disparar la caldera en caso de alto o bajo nivel. La medida de estos transmisores, nunca será corregida como veremos más adelante, su valor debe interpretarse tal cual se lee.

Por ejemplo en una caldera grande recomendaríamos instalar tres transmisores, cableados directamente al sistema de seguridad. (Se recomienda realizar lógica dos de tres, con las alarmas de alto o bajo nivel generadas por estos transmisores)

-Por otro lado se debe instalar otro transmisor, totalmente independiente a los anteriores, dedicado al control de los lazos de la caldera.

Con la medida de este transmisor representaremos en el SCADA el nivel de nla cadera.

Como veremos más adelante, esta medida debe ser corregida para poder obtener un valor más preciso. 

-Además de los transmisores de nivel se puede instalar 4 transmisores de presión, de los cuales podríamos cablear tres al sistema de seguridad y el otro al sistema de control.

A través del transmisor de presión conectado al sistema de control podremos corregir el valor del nivel.

3.  MEDIDA POR PRESIÓN DIFERENCIAL

Antes de explicar las peculiaridades de la medida de nivel de un calderín, debemos entender como se mide el nivel en un tanque presurizado.

La medida con “Presión Diferencial” es de los métodos más usado en la medida de nivel de un depósito presurizado.

A través de un transmisor de presión diferencial, medimos la columna de agua que hay sobre cada una de las tomas.

Una de las tomas es fija y será de referencia, mientras que la otra toma (toma de medida) variará en función de la columna de agua que tenga encima en cada momento.

La diferencia de presión entre cada una de las tomas nos indicará la altura de agua que disponemos.

Según el dibujo anterior:

La distancia “X”: es la longitud que queremos.

La presión (P1) será igual a: Presión (P3) más la altura de la columna de agua en dicha toma (X+Z) por la densidad del agua (G).

 (P1)= (P3) + [ (X+ Z) x (G) ]

La presión (P2) será igual a: Presión (P4) más la altura de la columna de agua en dicha toma (Y+Z) por la densidad del agua (G)

(P2)= (P4) + [ (Y+Z) x (G) ]

“La medida del transmisor de presión diferencial será”: (P2) - (P1) = [(P4)+ [ (X+Z) x (G) ]] – [(P3) + [ (Y+Z) x (G) ]]

Si donde no hay agua solo tenemos gas inerte (nitrógeno) podríamos despreciar la densidad del gas y considerar P3=P4, por lo que:

El valor medido por el transmisor es igual a (P2) menos (P1).

“Valor Medido” = (P2) - (P1) = [ (X+Z) x (G) ] - [ (Y+Z) x (G) ] = [ (X) x (G) ] – [ (Y) x (G) ]

El valor de “Z”, (la distancia entre el mínimo del tanque y donde realmente se instala el transmisor) no afecta a la medida de presión diferencial, un tramo siempre anula al otro.

4.  ERROR EN LA MEDIDA

Pero la eterna pregunta es:

¿Porqué mi medidor de presión diferencial empieza a desviarse de la medida correcta según la caldera empieza a calentar?

Si viéramos el interior de de nuestro “standpipe” cuando la caldera está funcionando, veríamos que el nivel del “standpipe” está más bajo que el nivel de la caldera.

Esta diferencia de altura se debe a que el agua dentro de la caldera estará a una temperatura muy elevada (el punto de saturación a la presión de la caldera), sin embargo a medida que nos alejamos de la caldera el agua se enfriará, por lo que el agua estará más fría en el “standpipe”, y aún más fría en el pote y en el tubing  del transmisor. El agua caliente tiene una densidad más baja que el agua fría; por lo que a medida que la caldera va calentando, el nivel real de la caldera estará cada vez más alto con respecto al nivel del “standpipe”.

¿Cómo corregir esta desviación?

Si volvemos al esquema del medidor tenemos el siguiente dibujo:

Según este dibujo queremos calcular el valor de “X” que corresponde al nivel real de agua que tenemos en el calderín.

Nota: Como vimos en el apartado 3 se puede despreciar el valor de “Z” al ser un valor constante que quedará anulado al restar P2-P1, en base a esto, realizaremos los cálculos con la presión en los puntos (P1’) y (P2’).

La presión (P1’) será igual a: Presión (P3) más la altura de la columna de agua en dicha toma (X) por la densidad del agua caliente que está dentro de la caldera (G caliente).

 (P1’)= (P3) + [ (X) x (G caliente) ]

La presión (P2’) será igual a: Presión (P4) más la altura de la columna de agua en dicha toma (Y) por la densidad del agua (G fría)

(P2’)= (P4) + [ (Y+Z) x (G) ]

Ahora en esta ocasión, no podemos considerar que la presión en “P3” sea igual a la presión en “P4”; esto es debido a que el vapor del agua tendrá una densidad que no puede ser despreciada y será cada vez mayor a medida que aumenta la presión en la caldera.

En este caso la presión P3 será igual a: Presión (P4) más la altura de vapor (Y-X) por la densidad del vapor (G vapor)

(P3)= (P4) + [ (Y - X) x (G vapor) ]

“La medida del transmisor de presión diferencial será”: (P2’) - (P1’).

“Valor Medido” = (P2’)  -  (P1’)

(P1’)= (P3) + [ (X) x (G caliente) ]

(P2’)= (P4) + [ (Y) x (G fría) ]

(P3)= (P4) + [ (Y - X) x (G vapor) ]

“Valor Medido” = (P2’)                             - (P1’)

“Valor Medido” = (P4) + [ (Y) x (G fría) ] - [ (P3)                                       + [ (X) x (G caliente) ] ]

“Valor Medido” = (P4) + [ (Y) x (G fría) ]- [ [(P4) + [ (Y - X) x (G vapor) ]] + [ (X) x (G caliente) ] ]

Lo que nos da el siguiente resultado:

Formula final: “Valor Medido” =  (Y) x (G fría)    -   (Y - X) x (G vapor)   -  (X) x (G caliente)

Nota: De la fórmula podemos despejar “X” (el nivel del calderín) y estimar el resto de las variables.

Resumen de las variables de la fórmula:

1º-“Valor Medido” à Es el valor que nos indicará el transmisor de presión diferencial

2º-(Y) à Longitud entre el pote y el mínimo nivel que vamos a medir, esto será un constante que sabremos un vez montado el equipo.

3º-(G fría) à Densidad del agua que está en el pote y en el tubing

4º-(X) à Altura de agua del calderín (Este es el valor que queremos calcular)

5º- G vapor à Densidad del vapor

6º- G caliente à Densidad del agua caliente

5.  CÁLCULO DE LA DENSIDADES

En base a la fórmula antes calculada:

“Valor Medido” =  (Y) x (G fría)    -   (Y - X) x (G vapor)   -  (X) x (G caliente)

Para una óptima corrección del nivel se requiere de calcular las densidades del agua en cada uno de los caso.

-Densidad del agua del pote: El agua del pote, estará mucho más fría que el agua de la caldera, su temperatura estará muy lejos de la saturación y su densidad apenas sufrirá una variación significativa; por todo esto podemos considerar un valor conste. Por ejemplo la densidad del agua a 50ºC en la presión normal de operación de la caldera (90 bar) la densidad sería  9991,881 kg/m3

-Densidad del agua del vapor y densidad del agua de la caldera: Para el cálculo de los valores de la densidad del agua y de la densidad del vapor, se utiliza el valor que nos indica un transmisor de presión instalado en el calderín.

Normalmente para saber la densidad de un fluido es necesario saber la presión y la temperatura. Pero en este caso la medida de temperatura es una variable lenta para nuestro lazo de control de nivel, sin embargo el transmisor de presión nos indicará rápidamente cualquier cambio en la medida.

Como dentro de la caldera estamos en condiciones de saturación, la temperatura del agua y del vapor siempre será la temperatura de saturación a la presión medida.

En la siguiente tabla se pueden ver los diferentes valores de densidad y temperatura que iremos teniendo en nuestra caldera hasta obtener los 90 bares.

Nota: Estás gráficas junto con la fórmula de la corrección son programadas en los sistemas de control de forma que el controlador pueda corregir rápidamente el nivel medido, no estaría de más durante el mantenimiento de la planta comprobar que estas gráficas se adecuan a la realidad.

6. ESPONJAMIENTO DE LAS CALDERAS

Como curiosidad final de este artículo, hablaremos del esponjamiento de las calderas. 

El esponjamiento del agua, es un efecto que dura poco tiempo y que se da en algunas calderas, cuando se provoca un incremento brusco de la demanda del vapor.

En las calderas de vapor, el líquido convive con el vapor, estando ambos a un paso de cambiar de estado.

En algunas ocasiones las calderas pueden sufrir un incremento brusco de demanda de vapor (por ejemplo en una planta de energía que se abra el by-pass de turbina).

Al aumentar bruscamente el caudal de vapor, es lógico pensar que si no aportamos más agua, rápidamente bajará el nivel de agua en el calderín.

Sin embargo la caldera nos engañará, porque el nivel en ese momento no bajará si no que subirá bruscamente.

Esto es lo que se llama esponjamiento del agua de la caldera.

En estas condiciones el agua al sufrir una depresión brusca, se esponja ocupando más volumen de lo normal. Poco después el nivel se recuperará y se podrá ver que efectivamente el nivel es inferior al de antes del esponjamiento.

Este efecto es muy perjudicial para el PID que controla las calderas, ya que por un momento hay un brusco cambio del nivel medido en el sentido contrario de lo que está sucediendo (vemos más nivel cuando realmente hay menos).

Los programadores de calderas tiene muy en cuenta todos estos efectos y saben configurar los valores de Derivada, Integral y Proporcional de cada PID alternando con varias filosofías de control a 2 y 3 elementos, para que el control se mantenga estable incluso cuando el esponjamiento intenta engañar.

Nota: Lo cierto es que, yo personalmente nunca había entendido completamente por qué un medidor de presión diferencial le afecta el esponjamiento de la caldera.

La teoría es que en la caldera, una cantidad determinada de agua pasa  durante un breve tiempo a ocupar más volumen... y yo pensaba... muy bien, pero el medidor de presión diferencial, que más le da, si lo que realmente hace es pesar el agua.

¡A la medida de presión diferencial, no le debería afectar el volumen del agua!

Si antes 1kg de agua, ocupaba un volumen de 1litro, y eso por ejemplo generaba en el transmisor una presión diferencial de 0,01bar. 

Si el agua se esponja y provoca que lo que antes era un litro ahora ocupe por ejemplo 1,25 litros, seguirá habiendo una 1kg de agua y la misma presión diferencial de antes (0,01bar).

En resumen: ¿Por qué el esponjamiento afecta a la medida de presión diferencial?

Un día un Instrumentista de técnicas reunidas me dio una respuesta bastante convincente.

Me expuso que el esponjamiento no se daba sólo en el calderín de la caldera. Sino que se daba también en todos los tubos del intercambiador debajo del calderín.

Si el esponjamiento no es sólo del calderín, al esponjarse todo el agua contenida en los tubos, realmente durante un breve tiempo en el calderín no sólo se produce un incremento del volumen de agua, también se produce un incremento de la cantidad de agua (entra más agua que antes estaba alojada en los tubos), y esto explicaría que el valor medido por el transmisor de presión diferencial aumente durante la inestabilidad.

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Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:

InstrumentacionHoy@gmail.com

05/02/2015 Julio C.F.L