Este documento describe las partes y características de una caldera de vapor de tubos de fuego, así como los diferentes tipos de control (regulatorio y lógico secuencial) necesarios para automatizarla de manera segura y eficiente. Explica que el control avanzado como el predictor de Smith es útil debido a los retardos en el proceso, y muestra un ejemplo de cómo aplicar este método usando un controlador PI para controlar la presión en la caldera.

1. Automatización de
una caldera de tubos
de fuego
Germán Palacios Marquez
Universidad San Francisco Xavier
Facultad de Tecnología
Carrera de Ing. Mecánica, Eléctrica y Electromec.

2. ¿Qué es una
caldera de
vapor?

3. ASPECTO FÍSICO DE UNA
CALDERA DE VAPOR

4. CALDERA DE VAPOR

5. Es un recipiente
cerrado destinado a
la producción de
vapor de agua a una
presión mayor que
la atmosférica.

6. Partes de una
caldera de vapor

8. Gas de Combustión
Chimenea
Compuerta
Tubos de fuego
Caja de humos
Hogar Gases
Quemador
Llama
Fig. 2.2 Esquema de una caldera de tubos de fuego, tipo escocés marino.

9. Partes de una caldera de vapor
n Hogar
n Lacaldera propiamente dicha
n Cámara de vapor
n Cámara de agua
n Tubos de humos o de fuego

10. Tubos de humos o de fuego

11. Calderas de vapor de tubos de
fuego
n Sonlas mas usadas en plantas
industriales pequeñas y comercios,
debido a que son:
n Compactas
n Económicas
n Confiables

12. Características
n Por lo general son de dos pasos
n Los gases de combustión pasan por el interior de
los tubos y el agua circula por el lado exterior.
n El cuerpo de la caldera, esta formado por un cuerpo
cilíndrico de disposición horizontal, incorpora
interiormente un paquete multivalbular de
transmisión de calor y una cámara superior de
formación y acumulación de vapor.
n Son de pequeñas capacidades de producción de
vapor, podría llegar hasta 5.8 MW

15. Caldera de 4 pasos

16. Aplicaciones mas frecuentes
n En todos los procesos industriales y
comerciales donde no se requiere muy
altas presiones de vapor
n Comedores
n Hoteles
n Hospitales
n Saunas
n Embotelladoras

17. Es necesario el control
automático en una
caldera de vapor?

18. La caldera de vapor como
objeto del control automático
n Es un sistema muy complejo
n Tiene muchos componentes, los cuales
deben trabajar de forma coordinada
n Maneja dos fases de flujo, vapor y agua

19. El control automático debe
garantizar
n La seguridad de
operación
n Mejorar la eficiencia
de operación
n Maneja dos fases de
flujo, vapor y agua

20. En la automatización de
una caldera de vapor
intervienen los dos tipos
de control?

21. Control Regulatorio
Control lógico secuencial

22. Control lógico secuencial o
control ON/OFF
Objetivo:
Detener o prevenir una
condición insegura
de operación

23. Control lógico secuencial o
control ON/OFF(cont.)
Variables típicas que monitorea este tipo
de control:
n Alta o baja presión en la caldera
n Alta o baja temperatura del vapor
n Condiciones de fallo de llama
n Alto o bajo nivel de agua en la caldera

24. Control regulatorio o control
de operación
Objetivo:
Mantener en valores preestablecidos
(fijos) las variables de salida de la
caldera de vapor

25. Control regulatorio o control
de operación(cont.)
Variables típicas a controlar:
n Presión en el cuerpo de la caldera
n Control de la combustión
n Nivel de agua en el cuerpo de la caldera
n Temperatura del vapor

26. Control realimentado
clásico
Perturbaciones de
carga
e
Entrada+ CONTROLADOR ACTUADOR PLANTA Salida
- Ruido en las
mediciones
SENSOR

27. Control Avanzado de la
presión en el cuerpo de la
caldera
Qué es control avanzado?
Cualquier tipo de estrategia de
control diferente de los clásicos

28. Se aplican en procesos cuyas
características son:
n Retardos de tiempo grandes
n Amplia variación de los parámetros
dinámicos
n Variables no medibles o raramente
medibles

29. Porqué control avanzado en la
automatización de la caldera de
vapor?
n Un tiempo de retardo grande
n Sus parámetros dinámicos varían
n Formado por muchos componentes

30. Para su estudio se acostumbra
descomponer en subsistemas:
n Subsistema de tratamiento de agua
n Subsistema de generación de vapor
n Subsistema de prepación de
combustible

31. Porqué varía la presión en la
caldera?
Dos son las causas principales:
n Carga de la caldera
n Entrada de combustible a la caldera

32. Dinámica del proceso de
variación de la presión
n Las calderas presentan respuestas en
lazo abierto no oscilatorias
n La F.T del proceso de variación de la
presión es un modelo de primer orden.
p(s) K p −Tos
P( s) = = e
Fv (s) Ts +1
n Kp Ganancia estática del sistema
n T Constane de tiempo (min)
n To Retardo de tiempo (min)

33. EL PREDICTOR DE SMITH
Los retardos de tiempo, hacen que el
análisis y diseño de los controladores
se torne en mas complejos
n El
predictor de Smith es una estrategia
que resuelve este problema

34. EL PREDICTOR DE SMITH
D(s)
GL (s)
rc(s) e1 + e2 u(s) + y(s)
+ +
G c (s)
G p ( s )e −To s +
- -
ym1(s) +
Gm (s) e − sTm
-
ym2(s)
Gm (s)
Fig. Configuración del predictor de Smith

35. EL PREDICTOR DE SMITH
n Gp(s) = F.T del proceso ( sin retardo)
n To = Retardo del tiempo del proceso
n GL(s) = F.T de las perturbaciones del proceso
n Gm(s) = Modelo del proceso sin retardo de
tiempo.
n Tm = Retardo de tiempo del modelo
n Gc(s) = F.T del controlador primario o
principal
n D(s) = Entrada de perturbación
n Rc(s) = Entrada de referencia
n y(s) = Salida del proceso

36. EL PREDICTOR DE SMITH
d(s)
r(c) + + + Y(s)
C(s)
+ P(s)
- - - +
Gn(s) Pn(s)
Predictor de Smith Convencional

37. EL PREDICTOR DE SMITH
d(s)
r(c) + + + Y(s)
C(s)
+ P(s)
- - - +
Gn(s) Pn(s)
Q(s)
Predictor de Smith Modificado
n Eneste tipo de procesos es suficiente
seleccionar un PI como controlador
⎛ ⎞ 1
⎜
C (s) = K c ⎜1+ 1 ⎟ Q(s) =
⎜ Ti s ⎟
⎟
1+ T s
⎝ ⎠ f

38. CRITERIOS DE DISEÑO
n Controlador PI
C ( s) = 1
Kp
Ti = T
n Filtro Q(s)
T = To
f 2

39. EL PREDICTOR DE SMITH
d(s)
r(c) + + Y(s)
Kc
+ P(s)
- - +
Pn(s)
1
1+(To/2)*s
Predictor de Smith con un controlador PI

40. Aplicación
d(s)
r(c) + + Y(s)
Kc
+ P(s)
- - +
Pn(s)
1
1+(To/2)*s
Predictor de Smith con un controlador PI

41. APLICACIÓN
n Mediante estimaciones, el modelo de la
planta se pudo establecer
n Kp = 0.23 (bar/kg)
n T = 5 (min)
n To = 3 (min)
p(s) 0.23 −3s
P( s) = = e
Fv (s) 5s +1
n En realidad estos parámetros son
variable en el tiempo

42. Simulación del sistema
propuesto
n La simulación muestra la efectividad
del sistema propuesto.
n La simulacion se realizo en Visim

43. Gracias por su
atención

44. CALDERA DE VAPOR

45. VARIABLES A CONTROLAR EN UNA
CALDERA DE VAPOR
n Presión en el cuerpo
de la caldera
n Temperatura
n Nivel de agua en el
cuerpo de la caldera
n Flujos de
combustible y aire
n Presencia o
ausencia de llama

46. Instrumentación
para para la caldera