Sistemas de Control en Calderas

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Calderas industriales: sistema de control automático integral
Article · January 2000
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Raul Rivas-Perez
Universidad Tecnológica de la Habana, José Antonio Echeverría
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Rachid Ghraizi
Indra
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2. E
l vapor ha sido durante siglos
un medio para la calefacción
y para la obtención de ener-
gía mecánica a través de la conver-
sión de la energía calórica de los com-
bustibles fósiles. Como es sabido, la
forma más común de producir vapor
es a partir de las calderas industria-
les y, obviamente, sólo con una ex-
plotación lo más eficiente posible de
las mismas podrá asegurarse un aho-
rro significativo de dichos combusti-
bles. De aquí la importancia de apli-
car una correcta estrategia de control
automático, la cual además posibili-
tará aumentar la fiabilidad y seguri-
dad en su funcionamiento.
Es cierto que, en la actualidad, las
calderas industriales presentan ya
un determinado nivel de automati-
zación, controlándose fundamental-
mente algunos de los procesos aso-
ciados a la generación de vapor (va-
riación de la presión y el nivel del
agua en el cuerpo de la caldera, el flu-
jo de vapor, la relación aire combus-
tible, la temperatura del vapor pro-
ducido, la temperatura de los gases
producto de la combustión, etc.); sin
embargo, para lograr una alta efi-
ciencia y fiabilidad en la explotación
de las calderas industriales resulta im-
prescindible desarrollar un control
integral que incluya también el con-
trol de los procesos de preparación
del combustible y tratamiento del
agua de alimentación.
En función de la técnica adoptada,
las calderas se subdividen en dos
grandes grupos: las de tubos de agua
o acuotubulares y las de tubos de
fuego o pirotubulares El sistema de
control que se propone ha sido de-
sarrollado para éstas últimas, las cua-
les tienen hoy una amplia aplicación
no sólo en el sector industrial, sino
también en instalaciones de servi-
cios (hoteles, hospitales, centros tu-
rísticos, etc).
¿Por qué un autómata
programable?
La selección de una solución basada
en autómatas programables se justi-
fica fundamentalmente porque es-
tos equipos, además de poseer una
elevada fiabilidad y robustez, permi-
ten el desarrollo de sistemas de con-
trol lógico-secuenciales, así como de
sistemas de control retroalimenta-
dos clásicos y avanzados (control en
cascada múltiple, control anticipa-
torio, control adaptativo, control in-
teligente aplicando lógica borrosa,
etc.). A ello hay que añadir que los
autómata programables son equipos
muy robustos, bien preparados para
trabajar en ambientes industriales
caracterizados por presentar ruido,
suciedad, elevadas temperaturas, alto
nivel de humedad, etc.
Subsistema de preparación del
combustible
Este subsistema tiene como objetivo
fundamental garantizar que el com-
bustible llegue al quemador de la cal-
dera con la presión y temperatura
requerida. Esta es una condición im-
portante para la explotación eficien-
Calderas industriales
Sistema de control
automático integral
Basado en autómatas programables, un sistema de control
automático integral, constituido por subsistemas de
preparación del combustible, tratamiento del agua de
alimentación, generación de vapor y supervisión, permite
mejorar significativamente la eficiencia de las calderas
pirotubulares, tal como se confirmó mediante la simulación
en Matlab del sistema de control de la presión en el cuerpo
de la caldera.
Junio 2000 / n.º 308 Automática e Instrumentación
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79
Caldera de tubos de fuego modelo
Alastor 45. Diagrama de una caldera industrial.
SOLUCIONES

3. Automática e Instrumentación Junio 2000 / n.º 308
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SOLUCIONES
te de estos equipos, la cual en múl-
tiples ocasiones no se cumple con el
debido rigor, ocasionando diferen-
tes averías en los quemadores.
Las principales variables que se
controlan mediante el autómata pro-
gramable son:
• Presión en la línea de alimentación
de combustible.
• Presión en el tanque de almacena-
miento de gas-oil.
• Temperatura en el tanque de ali-
mentación (de diario) de combusti-
ble (fuel-oil).
• Nivel en los tanques de alimenta-
ción (de diario) y de almacenamien-
to de combustible (fuel-oil).
• Relación agua-combustible (emul-
sión).
Inicialmente, el combustible se ca-
lienta con el calentador eléctrico si-
tuado en la línea de alimentación del
combustible. Cuando la caldera co-
mienza a producir vapor, el autóma-
ta programable desconecta el calen-
tador eléctrico y a partir de este
momento se calienta el combustible
con el calentador de vapor (CV) si-
tuado en el tanque de diario. El au-
tómata programable controla la tem-
peratura del combustible en dicho
tanque con ley de control PID. Esta
operación garantiza un ahorro signi-
ficativode energía eléctrica. Antes de
desconectar el calentador eléctrico,
el autómata programable comprue-
ba si la caldera presenta la presión de
vapor necesaria para calentar el com-
bustible adecuadamente.
El emulsor realiza la operación de
agregarle al combustible una cierta
cantidad de agua con el objetivo de
aumentar la brillantez de la llama del
quemador (luminosidad), mejorar la
pulverización o atomización del com-
bustible y reducir la viscosidad de
éste (cuando el combustible está
muy viscoso tiende a ensuciar u obs-
truir la boquilla del quemador). La
emulsión permite disminuir el es-
fuerzo que deben realizar las bombas
para mover el combustible por las
tuberías, elevar la vida útil de dichas
bombas y reducir su consumo ener-
gético por concepto de sobrecarga,
lo que representa un aumento en la
eficiencia del proceso de combus-
tión.
Considerando que durante la emul-
sión, la cantidad de agua que se le
debe agregar al combustible debe
ser debidamente regulada (una ma-
yor cantidad de agua que la requeri-
da ocasiona serios problemas en la
combustión), el autómata progra-
mable controla la relación agua-com-
bustible, lo que posibilita obtener
una adecuada mezcla de los flujos
de ambos.
Teniendo en cuenta que para la
explotación eficiente de los quema-
dores es necesario mantener en la lí-
80
Estrategia para el control automático integral
En la figura se muestra el diagrama en bloques simplificado del
sistema de control automático integral basado en un autómata pro -
gramable que se propone, el cual presenta los siguientes subsiste -
mas:
• Subsistema de preparación del combustible.
• Subsistema de tratamiento del agua de alimentación.
• Subsistema de generación de vapor.
• Subsistema de supervisión.
Diagrama funcional del subsistema de preparación del combustible.

4. Junio 2000 / n.º 308 Automática e Instrumentación
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SOLUCIONES
nea de alimentación de combustible
una presión estabilizada de aproxi-
madamente 2 atmósferas, el autó-
mata programable controla la pre-
sión del combustible en dicha línea
con ley de control PID.
Subsistema de tratamiento del
agua de alimentación
El agua a introducir en la caldera
para ser convertida en vapor debe ser
debidamente tratada con el objetivo
de evitar problemas técnicos provo-
cados por las condiciones de eleva-
da presión y temperatura a las que
se produce este proceso de transfe-
rencia de calor, entre los que cabe
destacar:
• Incrustaciones en las tuberías, lo
que ocasiona una considerable dis-
minución de la superficie de trans-
ferencia de calor, perdiéndose efi-
ciencia en el proceso.
• Aumento de la resistencia calórica
de las paredes de las tuberías, lo que
puede provocar deformaciones en
las partes afectadas.
• Deposiciones de sólidos, lo cual
origina constantes purgas (con las
pérdidas de energía que éstas oca-
sionan), así como paradas frecuen-
tes para la limpieza del cuerpo de la
caldera.
• Obstrucciones en las tuberías, que
provocan sobrepresión en la línea y,
por tanto, la posible destrucción de
las mismas, con las graves conse-
cuencias que trae consigo este pro-
blema, no sólo para el equipo sino
también para los operadores.
Las variables que se controlan son:
• Conductividad del agua.
• Nivel en los tanques de almacena-
miento de agua tratada y de alimen-
tación de agua.
• Temperatura del agua de alimen-
tación.
Para realizar un adecuado control
sobre la calidad del agua que se in-
troduce en la caldera, se desarrolla
de forma automática la regeneración
y contralavado de la resina encarga-
da de suavizar el agua de alimenta-
ción, considerando que estas opera-
ciones presentan un carácter lógico-
secuencial y las ventajas que ofrecen
los autómatas programables para eje-
cutar este tipo de operaciones.
Para ello este subsistema cuenta
con un sensor-transmisor de con-
ductividad eléctrica del agua (DT) si-
tuado a la salida de los tanques de tra-
tamiento del agua, así como con una
serie de válvulas solenoides (on-off)
para dirigir el recorrido del agua a tra-
vés de este subsistema, en corres-
pondencia con la secuencias de con-
trol que desarrolla el autómata
programable.
Con el objetivo de aumentar la efi-
ciencia energética de la caldera, es de
gran importancia que el agua de ali-
mentación presente una determina-
da temperatura, aproximadamente
entre 60-80 ºC (preferiblemente 80
ºC). Esto implica que se necesite una
menor cantidad de calor para con-
vertir esta agua en vapor. La tempe-
ratura del agua de alimentación no
debe exceder estos límites, pues de
excederse se elevarían las pérdidas
de energía en las tuberías no aisladas
y las bombas de agua sufrirían un
elevado calentamiento, para el cual
no están preparadas, lo que trae con-
sigo una reducción del tiempo de
vida útil de estos equipos. Para cum-
plir con este objetivo, el autómata
programable controla la temperatu-
ra en el tanque de agua de alimen-
tación, con ley de control on-off.
Subsistema de generación de
vapor
Este subsistema constituye el ele-
mento clave para la obtención de una
elevada eficiencia energética de la
caldera. Una mejora en este subsis-
tema presenta una repercusión más
significativa sobre la eficiencia de la
caldera que en el resto de los sub-
sistemas, lográndose una mejor re-
lación coste-eficiencia.
La automatización de este subsis-
tema se desarrolla sobre la base de
los siguientes aspectos:
• La operación del quemador en ré-
gimen casi continuo.
• Ajuste constante de la relación
aire-combustible.
Y las principales variables que se
controlan son:
• Presión en el cuerpo de la caldera.
• Flujo de combustible a la entra-
da de la caldera.
• Nivel en el cuerpo de la caldera.
• Opacidad y temperatura de los
gases de escape.
81
Diagrama funcional del subsistema de tratamiento de agua de alimentación.

5. Automática e Instrumentación Junio 2000 / n.º 308
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SOLUCIONES
• Relación aire combustible.
Este subsistema está conformado
por los siguientes elementos:
• Quemador con sus diferentes ac-
cesorios (bomba de segundo impul-
so (BSI), regulador de presión, ca-
lentador de combustible del
quemador (CQ), ventilador de tiro
forzado (VTF), clapetas, válvula,
etc.).
• Sensor-transmisor de presión (PT),
ubicado en el cuerpo de la caldera.
• Sensor-transmisor de temperatura
(TT), situado en la chimenea (per-
mite medir la temperatura de los ga-
ses de escape).
• Sensor-transmisor de flujo de vapor
(FT), situado en la línea de salida
del vapor (con el objetivo de cono-
cer el flujo real de vapor que produ-
ce la caldera).
• Sensor-transmisor de presión dife-
rencial (PDT), ubicado en la línea
de alimentación del combustible (con
la finalidad de medir el flujo de com-
bustible que llega al quemador).
• Sensor-transmisor de opacidad (to-
nalidad) de los gases producto de la
combustión (OT).
• Sensor-transmisor de nivel de cua-
tro posiciones (Mobrey), situado en
el cuerpo de la caldera (LTC).
• Elementos que apoyan el funcio-
namiento del quemador (termosta-
tos, presostatos (PS), etc.).
• Bombas de alimentación de agua
(BA1 y BA2).
El sensor-transmisor denivel (LTC)
se encarga de determinar los cuatro
niveles significativos en la operación
de la caldera (nivel extra-alto, nivel
alto, nivel bajo y nivel extra-bajo). El
autómata programable acciona la
alarma visual y sonora cuando el ni-
vel del agua en el cuerpo de la cal-
dera obtiene su valor bajo, desco-
necta las bombas de alimentación de
agua en el caso de nivel alto y detie-
ne el funcionamiento de la caldera
cuando se alcanzan los niveles extra-
alto y extra-bajo, en corresponden-
cia con las normas vigentes en cuan-
to a operación segura de calderas.
La relación aire-combustible es otra
de las variables que presenta una
elevada importancia en la eficiencia
de las calderas, pues si dicha relación
está desajustada se origina una com-
bustión ineficiente. Esta relación pue-
de variar en dependencia de diver-
sos factores, entre los que se
encuentran: la temperatura y hume-
dad del aire, la viscosidad, la com-
posición química y temperatura del
combustible, etc. Es evidente que
mantener la relación aire-combusti-
ble en un valor apropiado presenta
una gran importancia para garantizar
un funcionamiento eficiente de la
caldera.
Otro elemento que presenta una
significativa importancia en la efi-
ciencia de las calderas, debido a que
posibilita evaluar la calidad de la com-
bustión, es la opacidad (tonalidad) de
los gases producto de la combustión
(humo), los cuales se evacúan por la
chimenea. Si los gases producto de
la combustión presentan un tono
muy oscuro, existe exceso de com-
bustible y la combustión en este caso
es incompleta e ineficiente; si por el
contrario, estos gases presentan un
color muy blanco, existe exceso de
aire, lo que implica que los mismos
circulen por los tubos con mayor ve-
82
Diagrama funcional del subsistema de generación de vapor.
Diagrama de bloques del sistema de control de la presión en el cuerpo de la caldera.

6. Junio 2000 / n.º 308 Automática e Instrumentación
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SOLUCIONES
locidad, empeorando el proceso de
transferencia de calor y ocasionando
una disminución de la eficiencia en
la combustión.
En la figura que aparece en la pá-
gina anterior se muestra el diagrama
de bloques del sistema de control de
la presión en el cuerpo de la calde-
ra, el cual se encuentra conformado
por los siguientes lazos de control,
que se desarrollan sobre la base del
autómata programable:
• Lazo de control de la presión en el
cuerpo de la caldera;
• lazo de control de la relación
aire/combustible;
• lazo de control de la opacidad de
los gases de escape.
El principio de funcionamiento de
este sistema es el siguiente: el sen-
sor-transmisor de presión realiza la
medición de la presión en el cuerpo
de la caldera y en correspondencia
con el valor de presión obtenido, el
83
Comprobación mediante simulación
Se realizaron trabajos de
simulación en MATLAB
del sistema de control de
la presión en el cuerpo
de la caldera conside -
rando las perturbaciones
reales que actúan sobre
dicho sistema. En la fi -
gura 1 se presenta el dia -
grama en bloques en Si -
mulink del sistema
representado en el dia -
grama de control de la
presión en el cuerpo de la
caldera, el cual fue cons -
truido sobre la base de
datos experimentales so -
bre el comportamiento di -
námico obtenidos de una
caldera industrial mediante la aplica -
ción de métodos de identificación.
En las figuras 2, 3, 4 se muestran los
resultados de la simulación del sistema
de control de la presión en el cuerpo de
la caldera. En la figura 2 se presentan
los resultados de la simulación de la
variación de la presión en el cuerpo de
la caldera, en la figura 3 se muestran los resultados de la simulación
de la variación del flujo de aire a la entrada del quemador, en corres -
pondencia con la variación del combustible y en la figura 4 se ofrecen
los resultados de la variación de la opacidad de los gases producto de
la combustión.
Estos resultados muestran que el sistema que se propone presenta un
buen comportamiento dinámico, lo que implica que su aplicación en
la práctica posibilita mejorar significativamente la eficiencia de esta
clase de equipos.
Sin lugar a dudas, el control eficiente del subsistema de generación de vapor posibilita que el quema -
dor no se desajuste con facilidad, lo que aumenta el rendimiento de estos equipos, alargando la vida útil
de los mismos y disminuyendo la producción de sustancias tóxicas tales como monóxido de carbono (CO),
dióxido de azufre (SO2), etc. Estas sustancias, además de provocar daños en la caldera (específicamente
el SO2), ocasionan la producción de ácido sulfúrico, el cual reacciona con las paredes de los tubos oca -
sionando daños en los mismos y produciendo además contaminación ambiental. La automatización de
este subsistema reduce al mínimo los transitorios y el error dinámico en el paso de alto a bajo fuego y
viceversa.
Figura 1
Figura 2 Figura 3
Figura 4

7. autómata programable decide si se
debe de variar el flujo de combusti-
ble que entra al quemador. Este ac-
cionamiento se encuentra en co-
rrespondencia directa con la
fluctuación de la demanda de vapor
de los equipos y dispositivos tecno-
lógicos que sealimentan de lacaldera,
lo que a su vez se encuentra asocia-
do a la diferencia de presión entre la
presión de referencia y la presión en
el cuerpo de la caldera (señal de
error de presión).
En correspondencia con la canti-
dad de combustible que entró al que-
mador, el autómata programable de-
termina el flujo de aire necesario para
obtener una correcta combustión.
Para el control de la relación aire-
combustible se emplean las señales
de flujo de combustible, flujo de aire
y de opacidad de los gases producto
de la combustión. La señal de salida
del controlador PI de opacidad de
los gases es utilizada por el autóma-
ta programable como señal correc-
tora de la relación aire-combustible
(recuérdese que la tonalidad más
clara o más oscura de estos gases
está directamente relacionada con
la calidad de la combustión).
Esto posibilita regular el flujo de
aire no sólo en correspondencia con
la cantidad de combustible que en-
tra al quemador, sino además con la
opacidad de los gases de escape, lo
que indiscutiblemente mejora signi-
ficativamente el proceso de com-
bustión y por ende la eficiencia ener-
gética de la caldera.
Subsistema de supervisión
Este subsistema se encarga de su-
pervisar el funcionamiento de todo el
sistema, así como de detectar y diag-
nosticar los posibles fallos que se
puedan originar en el mismo, con el
objetivo de garantizar la fiabilidad y
seguridad en la explotación de la cal-
dera.
Este subsistema presenta un blo-
que de monitorización, el cual se en-
carga de detectar la presencia de fa-
llos a partir de cierta información
extraída de los datos medidos en los
otros tres subsistemas. Además, des-
pués dedetectar algún fallo en alguno
de estos tres subsistemas, somete
las características y los cambios pro-
ducidos en dicho subsistema a un
procedimiento de clasificación, con
el fin de determinar el tipo y el ta-
maño del fallo, la localización del mis-
mo y la causa que lo produjo. A par-
tir de esta información, desarrolla
determinadas acciones con el fin de
proteger a la caldera. Por tanto las
principales funciones que desarrolla
el bloque de monitorización son las
de detección, predicción, identifica-
ción y corrección de fallos en línea
durante la operación de la caldera.
Rivas Pérez, R.*, Aref Ghraizi,
R.*, Peran González, J. R.**,
Cesar Sánchez E.**
* Departamento de Automática y
Computación de la Facultad de
Ingeniería Eléctrica del Instituto
Superior Politécnico
rivas@electrica.ispjae.edu.cu
**Departamento de Ingeniería
de Sistemas y Automática, ETSII,
Universidad de Valladolid
peran@eis.uva.es
Automática e Instrumentación Junio 2000 / n.º 308
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SOLUCIONES
84
A modo de conclusiones
• Se propone un sistema de control automático integral basado en
un autómata programable, que presenta cuatro subsistemas fun -
damentales y permite obtener un control efectivo, fiable y seguro de
estos equipos.
• La simulación fuera de línea de los algoritmos de control lógico-
secuencial propuestos, aplicando el programa de comunicación
entre el autómata programable y el microordenador, demostró la
efectividad de dichos algoritmos.
• La simulación en MATLAB del sistema de control de la presión en
el cuerpo de la caldera mostró que dicho sistema presenta un buen
comportamiento dinámico, lo que implica que su aplicación en la
práctica posibilita mejorar significativamente la eficiencia de esta
clase de equipos.
• El sistema de control automático integral propuesto permite ob -
tener un significativo ahorro energético al lograr una estricta co -
rrespondencia entre la producción y el consumo de vapor, así como
una mayor fiabilidad y seguridad en la explotación de calderas in -
dustriales.
Para saber más
• Astrom K. J. and Wittenmark
B. Adaptive Control, Second
Edition, Addison-Wesley-1997
• Bychko B.J. Procesos Quími -
cos y Termoenergéticos. Diná -
mica y Control, T.II, Ed. EN -
PES-1988.
• Dorf R., and Bishop R. Mo -
dern Control Systems, 7e. Ad -
dison Wesley, N.Y-1995.
• Ljung L., and Glad T. Mode -
lling of Dynamics Systems.
Prentice Hall, N.Y-1994.
•Marlin T. Process Control: De -
signing Process and Control
Systems for Dynamics Perfor -
mance. McGraw Hill, N.Y-
1995.
• MoscinskiJ. Advances Control
with MATLAB and SIMULINK.
Prentice Hall, N.Y-1996.
• Rivas Pérez R.y otros. Proce -
edings of XVIII Interamerican
Congress of Chemical Engine -
ering, 1998, Puerto Rico.
• Rivas Pérez R., Prada Mora -
ga C., Fuente Aparicio M.J.,
Control Avanzado de Procesos
Industriales. Electro-Electró -
nica, No 12, pp. 30-36-1999.
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