Ajuste a los parámetros de control de una caldera para operar de manera eficiente.

Abstract

Papeles Ultra S.A de C.V. es una planta de fabricación de papel que utiliza el sistema de cogeneración para alimentarse de energía eléctrica, este sistema consta de una caldera y un generador eléctrico. La capacidad de este sistema es suficiente para alimentarse totalmente y depender del suministro de energía de la Comisión Federal de Electricidad. La empresa compra una caldera para sustituir la anterior. La caldera o generador de vapor es un equipo nuevo de 200,000 libras/hora de vapor, unas 90 toneladas/hora. Este equipo viene listo para encender, pero con unos ajustes al control del lugar donde fue fabricado. Al ser instalado en México la altura sobre el nivel del mar es diferente, por tal motivo la capacidad de vapor de diseño va a cambiar. Las condiciones en la demanda de vapor y electricidad en una planta de papel son muy variantes del orden de +/- 35% de la capacidad de la caldera en un tiempo de 2 minutos aproximadamente. Por lo tanto ajustar los lazos de control de la caldera para una demanda de éste tipo es muy importante, porque si la caldera se vuelve inestable con esos cambios puede apagarse cuando alcanza algún límite de seguridad o protección, ocasionando que la planta pare su producción; además se tendría tiempo muerto por arranque de toda la planta que es de aproximadamente 2 a 3 horas, provocando pérdidas económicas. Además de las variaciones de demanda de energía, está el tema de eficiencia en la combustión que es parte del ajuste de parámetros de control en la caldera, cuando está quemando la cantidad mínima de combustible estará en su máxima eficiencia, pero cuando no está ajustado el control no se garantiza esa condición. La eficiencia es la relación de la cantidad de combustible necesario para convertir por ejemplo 1kg de agua en 1kg de vapor a las condiciones de temperatura y presión específica que requiere la turbina de vapor. El fabricante de la caldera Babcock & Wilcox garantiza una eficiencia a distintos niveles de su capacidad, el objetivo es ajustar la caldera para cumplir con esa eficiencia, en caso contrario la pérdida de dinero que se tendría con una reducción de 2% en la eficiencia; representando una pérdida al año de alrededor de 1.5 millones de pesos. Es entonces en el control donde hay que programar los ajustes para alcanzar la eficiencia de diseño y lograr la estabilidad de la caldera, en el caso del primero con la caracterización de la caldera o curva característica y para el segundo con las ganancias de los bloques de sintonía Proporcional, Integral, y Derivativo (PID) en cada uno de los lazos de control. El control de nivel del domo es para una operación segura y confiable de la caldera, ya que si el nivel sube más de 65% se puede dañar los materiales de la turbina por acarreo de agua, y por bajo nivel puede causar explosión de los tubos por falta de enfriamiento. Debido al tipo de demanda es necesario una estrategia de control de nivel de tres elementos en el que su característica más importante es que controla el flujo de agua que entra con respecto al flujo de vapor que sale de la caldera para ajustar el nivel deseado. El sistema de control de combustión consta del control de flujo de aire y el de flujo de combustible, este regula en respuesta al índice de desbalance de energía llamado lazo de presión de vapor MAESTRO, que indica cuando sale energía en forma de vapor deberá entrar energía en forma de combustible. La estrategia se llama de límites cruzados y la finalidad es seleccionar que variable del sistema de combustión (flujo de aire o flujo de combustible) responde primero cuando la presión aumenta o cual cuando disminuye. Para la eficiencia en la combustión influyen varios factores, el objetivo es alcanzar el valor más alto con el menor exceso de aire posible, es decir una apropiada distribución y control de aire-combustible a condiciones de bajo oxígeno, obteniendo así la caracterización de ésta caldera en específico. Para llevar a cabo las estrategias de control es necesario los instrumentos de medición y control que en este caso son transmisores de presión manométrica, flujo y presión diferencial, los cuales son calibrados para las condiciones reales de operación. Una vez que las mediciones son confiables se está preparado para realizar las pruebas que llevarán a encontrar los valores de la curva característica que por consecuencia obtendrá la eficiencia de diseño esperada. Una vez concluidas las pruebas se evalúa el sistema de control en su totalidad pasando a automático todos los lazos de control y observar que no haya variaciones en más de un 3% en cada lazo. El propósito final es ubicar a la caldera en la mejor condición de sintonía posible y alcanzar la máxima eficiencia ahorrando combustible.