Ingeniería Mecánica · 2005
Simulacion y cuantificacion del ahorro energetico de una caldera pirotubular bajo control on-off y continuo
Las calderas son parte esencial de muchas plantas industriales, y su eficienciapuede afectar significativamente los costos de operación, la rentabilidad yconfiabilidad de la planta entera. Para conocer como se afecta el rendimiento de lacaldera al efectuar cambios operacionales (flujo de vapor o presión), se deberealizar una evaluación energética, determinando así las condiciones de operaciónoptimas de la caldera, con lo cual se busca que la energía disponible se consumade una manera eficiente, obteniendo un potencial ahorro económico y energético,disminuyendo los impactos ambientales. Para observar y evaluar las diferentes condiciones de trabajo de una calderapirotubular, se utilizan diversas alternativas. En esta tesis se tratará de mostrardos de las principales metodologías: La simulación del proceso de generación devapor por medio de software y, la realización de pruebas directamente sobre lacaldera, buscando evaluar la incidencia de la presión y el flujo de vapor sobre elconsumo de combustible y la eficiencia de la caldera, tanto para operación bajocontrol on-off como para control continúo. Como resultado de las pruebas, en términos generales se obtuvo mayoreseficiencias y menores consumos de combustible con operación bajo controlcontinuo, además, con esta estrategia del control el sistema se mantiene encondiciones más estables. La simulación reporta resultados adecuados para los propósitos del trabajo, perose presentan diferencias con los obtenidos en las pruebas reales. Para obtenerresultados más cercanos a los reales se recomienda hacer un estudio másriguroso del proceso de conversión energética en la caldera pirotubular.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 17
- 1. CALDERASp. 19
- 1.1 DEFINICIÓNp. 19
- 1.2 TIPOS DE CALDERASp. 20
- 1.2.1 Según la circulación del agua o gases por los tubosp. 21
- 1.2.3 Según la configuraciónp. 28
- 1.3 COMBUSTIBLES PARA CALDERASp. 29
- 1.3.1 Clasificación de los combustiblesp. 30
- 2. GENERALIDADES Y DISPOSITIVOS DE CONTROLp. 36
- 2.1 CONCEPTOS SOBRE SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICOp. 38
- 2.2 SISTEMAS DE CONTROLp. 40
- 2.2.1 Sistema de control de lazo abiertop. 40
- 2.2.2 Sistema de control de lazo cerradop. 40
- 2.3 ACCIONES BÁSICAS DE CONTROLp. 41
- 2.4 DISPOSITIVOS DE CONTROLp. 43
- 2.4.1 Clasificación de los dispositivos de controlp. 44
- 3. SISTEMAS BÁSICOS DE UNA CALDERA PIROTUBULARp. 56
- 3.1. SISTEMA DE COMBUSTIÓNp. 58
- 3.1.1 Subsistemas del sistema de combustiónp. 59
- 3.2 SISTEMA DE AGUAp. 66
- 3.2.1 Sistema de vaporización de aguap. 66
- 3.2.2 Sistema de agua de alimentaciónp. 67
- 3.3 SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREOp. 74
- 3.3.1 Dispositivos de control de la calderap. 77
- SIMULACIÓNp. 117
- PIROTUBULARp. 22
- 4.1.1 Modelos matemáticosp. 119
- 4.1.2 Requerimientos y resultados de la simulaciónp. 141
- 4.1.3 Que se puede hacer con la simulaciónp. 146
- RESPUESTA DE LA CALDERA A TRAVÉS DE LA SIMULACIÓNp. 147
- 4.2.1 Calculo de Eficienciap. 147
- 4.2.2 Respuesta del sistema ante cambios en el flujo de vaporp. 148
- 4.2.3 Respuesta del sistema ante cambios en la presión de trabajop. 153
- EVALUACION ENERGETICAp. 158
- EFICIENCIA DE UNA CALDERAp. 158
- 5.1.1 Factores que afectan la eficienciap. 159
- 5.1.2 Métodos para la determinación de la eficienciap. 160
- 5.2.1 Calculo del flujo de combustiblep. 164
- 5.2.2 Procedimiento de la pruebap. 165
- 5.2.3 Resultados obtenidosp. 18
- 5.2.4 Análisis de resultadosp. 170
- COMPORTAMIENTO DE LA CALDERA BAJO CONTROL ON-OFFp. 178
- 5.3.1 Presión mediap. 178
- 5.3.2 Consumo medio de combustiblep. 178
- 5.3.3 Procedimiento de la pruebap. 179
- 5.3.4 Resultados obtenidosp. 18
- 5.3.5 Análisis de resultadosp. 181
- ESTRATEGIA DE CONTROL ON-OFFp. 184
- 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESp. 185
- 6.1 CONCLUSIONESp. 185
- 6.2 RECOMENDACIONESp. 186
- BIBLIOGRAFÍAp. 187
- ANEXOSp. 188
- ANEXO 1. MANUAL DEL USUARIOp. 188
- ANEXO 2. ATRIBUTOS Y RANGOS DE LOS MODULOS FIELDPOINTp. 193
- Figura 1.Caldera pirotubularp. 21
- Figura 2. Dimensiones de una caldera pirotubularp. 23
- Figura 3. Caldera pirotubular de cámara húmedap. 24
- Figura 4. Caldera pirotubular de camara secap. 24
- Figura 5. Caldera acuatubularp. 26
- Figura 6. Caldera pirotubular tipo verticalp. 29
- Figura 7. Sistema de controlp. 36
- Figura 8. Lazo de controlp. 37
- Figura 9. Tipos de señales. a) Digitales b) Análogasp. 39
- Figura 10. Sistema de control de lazo abiertop. 40
- Figura 11. Sistema de control de lazo cerradop. 41
- Figura 12. Autómata programablep. 49
- Figura 13. Controlador industrialp. 50
- Figura 14. Computador industrialp. 51
- Figura 15. Microcontroladorp. 52
- Figura 16. Sistema fieldpointp. 54
- Figura 17. Tarjeta de adquisición de datosp. 55
- Figura 18. Esquema general de la calderap. 57
- Figura 19. Combustión en una caldera pirotubularp. 58
- Figura 20. Componentes del sistema de airep. 60
- Figura 21. Sistema de combustiblep. 61
- Figura 22. Regulador de gasp. 62
- Figura 23. Interruptor de presiónp. 63
- Figura 24. Válvula principal de combustiblep. 63
- Figura 25. Servo válvula de combustiblep. 64
- Figura 26. Manómetro tipo Bourdonp. 65
- Figura 27. Sistema piloto de combustiblep. 65
- Figura 28. Llama de piloto normal del sistema de combustiónp. 66
- Figura 29. Elementos de vaporización de aguap. 67
- Figura 30. Sistema agua de alimentaciónp. 68
- Figura 31. Válvula multipuerto en posición 3p. 69
- Figura 32. Válvula multipuerto en posición 1p. 70
- Figura 33. Válvula multipuerto posición 2p. 71
- Figura 34. Tanque de condensadop. 72
- Figura 35. Bomba de alimentaciónp. 73
- Figura 36. Instalación del suministro de agua a la calderap. 74
- Figura 37. Lazos de control en la calderap. 76
- Figura 38. Esquema eléctrico Fireyep. 78
- Santanderp. 31
- Figura 40. Control de nivel "Mc Donnell"p. 83
- Figura 41. Control limite de presiónp. 84
- Figura 42. Terminales control auxiliar de nivelp. 85
- Figura 43. Panel de control estrategia on-offp. 86
- Figura 44. Banco Fieldpoint de monitoreo y controlp. 88
- Figura 45. Banco de módulos fieldpoint utilizado en la calderap. 89
- Figura 46. Modulo de red FP-1000p. 90
- Figura 47. Modulo de Salidas Digitales FP-DO-400p. 91
- Figura 48. Modulo de salidas analogas FP-AO-200p. 92
- Figura 49. Modulo de entradas análogas FP-AI-110p. 93
- Figura 50. Modulo contador FP-CTR-500p. 94
- Figura 51. Modulo de termocuplas FP-TC-120p. 95
- Figura 52. Implementación de una acción de control PIDp. 100
- Figura 53. Transductores de presiónp. 103
- Figura 54. Esquemas de conexión del Transductor de presión marca SETRAp. 103
- Figura 56. Variador de velocidad del motor del ventiladorp. 104
- Figura 57. Esquema de conexión del variador al motor del ventiladorp. 105
- alimentación de aguap. 107
- Figura 60. Motor paso a paso y válvula proporcionalp. 111
- Figura 62. Diagrama esquemático de la tarjeta del motor PAP de la turbinap. 113
- Figura 63. Tarjeta de flancosp. 115
- Figura 64. Diagrama esquemático de la tarjeta de flancosp. 115
- Figura 65. Tablero de controlp. 116
- Figura 66. Estructura de la simulaciónp. 119
- Figura 67. Control continúop. 121
- Figura 68. Diagrama de flujo del control on-offp. 122
- Figura 69. Modelo general de combustión y transferencia de calorp. 123
- Figura 70. Modelo de combustiónp. 124
- tubo principalp. 125
- Figura 72. Transferencia de calor en un diferencial en un tubo secundariop. 126
- Figura 73. Diagrama de flujo del modelo de transferencia de calorp. 130
- Figura 74. Generación de Vaporp. 133
- Figura 75. Subsistema creado a partir de la ecuación 4.26p. 137
- Figura 76. Subsistema creado a partir de la ecuación 4.25p. 137
- Figura 77. Subsistema creado a partir de la ecuación 4.27p. 138
- Figura 78. Subsistema creado a partir de la ecuación 4.28p. 138
- Figura 79. Subsistema creado a partir de la ecuación 4.24p. 139
- Figura 80. Diagrama de bloques completop. 140
- Figura 81. Requerimientos de la simulaciónp. 141
- Figura 82. Ventana en donde se ingresan los datos geométricosp. 142
- Figura 83. Ventana en donde se ingresan los datos operacionalesp. 143
- Figura 84. Ventana principal de simulaciónp. 144
- Figura 85. Histórico de presión bajo control continúop. 145
- Figura 86. Histórico de consumo de combustible bajo control continúop. 145
- Figura 87. Histórico de presión bajo control on-offp. 146
- Figura 88. Histórico de consumo de combustible bajo control on-offp. 146
- operación bajo control continúop. 149
- con operación bajo control continúop. 154
- operación bajo control continúop. 149
- operación bajo control continúop. 149
- operación bajo control on-offp. 152
- con operación bajo control on-offp. 156
- operación bajo control on-offp. 152
- operación bajo control on-offp. 152
- operación bajo control continúop. 149
- operación, con operación bajo control continúop. 154
- con operación bajo control continúop. 154
- operación, con operación bajo control continúop. 155
- operación bajo control on-offp. 152
- operación, con operación bajo control on-offp. 156
- operación, con operación bajo control on-offp. 157
- operación, con operación bajo control on-offp. 157
- Figura 105. Diagrama Sankey de flujos de energía a través de la calderap. 162
- Figura 106. Esquema seguido para realizar las pruebas en la calderap. 167
- Figura 107. Consumo de combustible en operación bajo control continuop. 168
- Figura 108. Eficiencia en operación bajo control continúop. 168
- Figura 109. Balance de energía de la caldera para condiciones establesp. 170
- Figura 110. Balance de energía de un diferencial de un tubo de la calderap. 172
- Figura 111. Puntos de operación usados para análisis teóricop. 174
- Figura 112. Ciclo de operación bajo control on-offp. 179
- Figura 113. Consumo de combustible en operación bajo control on-offp. 180
- Figura 114. Eficiencia en operación bajo control continúop. 181
- Figura 115. Puntos de operación usados para análisisp. 182
- flujo de vapor de 450 lb/hr (operación bajo control on-off)p. 183
- flujo de vapor de 650 lb/hr (operación bajo control on-off)p. 184
- Tabla 1. Características técnicas caldera horizontal, Presión de 150 Psigp. 23
- Tabla 2. Poderes calóricos de algunos combustiblesp. 30
- Tabla 3. Análisis próximo del carbones de Colombiap. 31
- Tabla 4. Análisis ultimo de algunos tipos de carbónp. 31
- Tabla 5. Características típicas de combustibles colombianos para calderasp. 34
- Tabla 6. Especificaciones de la Caldera Pirotubular del Laboratoriop. 56
- Tabla 7. Nivel recomendado de exceso de aire y otros parámetrosp. 59
- Tabla 8. Relación aire-combustiblep. 102
- Tabla 9. Características eléctricas del Altivar 16p. 106
- Tabla 10. Terminales de Control hacia el motor PAPp. 112
- Tabla 11. Terminales de Potencia hacia el motor PAPp. 113
- Tabla 12. Pines de Controlp. 113
- Tabla 13. Distribución de pérdidas de calor en una calderap. 163
- Tabla 14. Efecto de la variación del flujo de vaporp. 169
- Tabla 15. Efecto del cambio en la presión de operaciónp. 169
- causa el cambio en el flujo de vaporp. 175
- causa el cambio de la presión de operaciónp. 177
- continuo y on-offp. 184