CONTROL EN CASCADA

Una de las características para mejorar la estabilidad de un circuito complejo es el empleo del control en cascada. Su utilización es conveniente cuando la variable controlada no puede mantenerse dentro del punto de condigna, por óptimos que sean los ajustes del controlador, debido a las perturbaciones que se producen en alguna condición del proceso.

Control de temperatura de un calefactor

Cuando la temperatura medida se desvía del punto de consigna, el controlador varia la posición de la válvula de combustible, y si todas las características del combustible (presión, viscosidad…) y del producto permanecen constantes, el control será generalmente bueno.

Sin embargo, si una de las características, por ejemplo la presión, cambia de forma incontrolada, el flujo a través de la válvula seguirá la misma variación aunque su vástago permanezca fijo. Cambiará pues la temperatura y, al cabo de un cierto tiempo – dependiente de las características de capacitancia, resistencia y tiempo de transporte del proceso- las variaciones de temperatura llegarán al controlador y este reajustara la posición de la válvula de acuerdo con las acciones de que disponga.

Será una casualidad que las correcciones del controlador eliminen totalmente las perturbaciones en la presión de combustible, ya que estas perturbaciones son totalmente al azar y hay un retardo entre las mismas y el envío de la señal de corrección del controlador a la válvula. Por lo tanto, las continuas perturbaciones en la presión, no sólo darán lugar a una corrección continua e innecesaria en la válvula, sino que perjudicarán el logro de una buena regulación pudiendo incluso impedir totalmente el control del proceso.

Nótese que el control de temperatura se realiza mediante la aportación del calor cedido por el combustible que pasa a través de la válvula, es decir, la temperatura es regulada más bien por el flujo de combustible (si la calidad de combustible es constante) que por la posición del vástago de la válvula. Nótese que el flujo no esta controlado, y que es de interés secundario (variable secundaria), pero es evidente que sus fluctuaciones afectan a la variable temperatura, la que necesariamente es de interés principal (variable primaria) en el control del proceso.

Desde el punto de vista de rapidez en el control del proceso sería muy conveniente el ajuste rápido de posición de la válvula tan pronto como se presenta una perturbación en la presión del combustible, mientras que las variaciones de temperatura más lentas que pueden producirse por otras causas deben ser corregidas para mantener la temperatura en el punto de consigna.

Si la señal de salida del controlador de temperatura (primario) actúa como punto de consigna de un instrumento que controle el flujo y cuya señal de salida ajuste la posición de la válvula, este segundo controlador (secundario) permitirá corregir rápidamente las variaciones de flujo provocadas por perturbaciones en la presión de combustible, manteniendo el sistema en todo momento la capacidad para controlar la temperatura con el instrumento primario.

Estos dos instrumentos conectados en serie actúan manteniendo la temperatura constante, el controlador de temperatura manda y el flujo obedece. Esta disposición se denomina control en cascada, y puede verse en la siguiente figura conjuntamente con su diagrama de bloques.

Control en cascada

Para que el control en cascada sea eficaz es necesario escoger adecuadamente la variable secundaria teniendo en cuenta las perturbaciones que pueden presentarse y las velocidades de respuesta de los distintos componentes del proceso.

. Para seleccionarla pueden seguirse los siguientes pasos:

Dibujar el diagrama de bloques del posible sistema en cascada.

• El lazo secundario debe incluir la perturbación posible más importante.

• El lazo secundario debe ser de respuesta rápida y para ello debe incluir los retardos mínimos del sistema de control. Como guía, la relación-constante de tiempo del lazo principal/constante de tiempo del lazo secundario= TP/TS debe ser como mínimo de 3, e idealmente de 5 a 10.

• Los puntos de consigna de la variable secundaria deben estar relacionados directamente con los de la variable primaria y, a ser posible, su relación debe estar representada por una recta en preferencia a una línea curva. De este modo se simplificará el ajuste del controlador primario.

• El lazo secundario debe contener el mayor número posible de perturbaciones mientras sea suficientemente rápido.

• La variable secundaria seleccionada debe proporcionar una estabilidad al control secundario con la ganancia más alta que sea posible (BP más baja).

Estos pasos a seguir estarán naturalmente basados en el conocimiento del proceso a controlar y conviene que se apliquen con sentido común.

Como ejemplo de los mismos puede verse en la siguiente figura la aplicación del control en cascada al control de temperatura de un líquido en un tanque encamisado.

Control de temperatura de un líquido en un tanque encamisado.

De esta figura se deriva la tabla siguiente para seleccionar la variable secundaria:

Es lógico seleccionar como variable secundaria la temperatura de la camisa. En la siguiente figura pueden verse varios ejemplos de control en cascada.

CONTROL DE RELACIÓN

El control de relación es un sistema de control en el que una variable de proceso es controlada con relación a otra variable. Mientras que el control en cascada es sólo un método que mejora la regulación de una variable, el control de relación satisface una necesidad específica, el control de la relación entre dos cantidades.

Estas cantidades suelen ser flujo es de fluidos, tal como puede verse en la figura anterior. La señal del transmisor de flujo es multiplicada por un factor fijado manual o automáticamente. La señal de salida del multiplicador es el punto de consigna del controlador cuya señal de salida actúa directamente sobre la válvula de control.

Hay que señalar que el ajuste del relé de relación es función de los campos de medida relativo de los transmisores. Si en el ejemplo de la figura anterior, el transmisor del flujo variable (sin controlar) tiene un campo de medida 1,5 veces mayor que el del transmisor del flujo controlado y se desea que el flujo controlado esté siempre en la proporción de 1:2 con relación al flujo variable, deberemos ajustar el dial del relé de relación en la posición:

75,015,1

21

Por otro lado, los campos de medida de los transmisores deben estar expresados en las mismas unidades, y es necesario considerar sus campos de control que influirán inevitablemente en la precisión de la relación entre las dos variables. En efecto, si los transmisores son cuadráticos con la “rangeability” 4:1 y hay que mantener una razón de 0,75 el controlador perderá su precisión cuando el flujo variable (primario) baja por debajo de 0,25% de su campo de medida, lo que equivaldrá a que se pierda también la precisión si el flujo controlado (secundario) es inferior a 33% de su campo de medida, ya que el instrumento tiende a mantener su punto de consigna en

Secundariocaudalprimariocaudal75,0

Evidentemente 25% señal salida transmisor primario= 25/0,75=33,3% señal salida transmisor secundario=33,3% secundario. 

Una aplicación típica del controlador de relación se encuentra en la relación flujo aire/flujo combustible en la combustión de una caldera de vapor.

CONTROL EN ADELANTO  

El control de realimentación es la técnica más común empleada en el control de proceso. En este tipo de control la señal de salida (variable controlada) es comparada con un valor deseado (punto de consigna) y, la señal de error actúa sobre el controlador.

 

En sistemas que poseen tiempos de retardo importantes con desviaciones de magnitud y duración distintas, la señal de error es detectada mucho tiempo después que se ha producido el cambio de carga, por lo cual, la corrección correspondiente es retardada y ocurre a veces que actúa cuando ya no es necesaria porque se ha eliminado el cambio de carga que dio lugar a la corrección. Este problema puede resolverse en algunas aplicaciones introduciendo el control en cascada ya estudiado.

El control en cascada es realmente un lazo de control secundario dentro de otro primario, con una respuesta suficientemente rápida establecida considerando que la relación entre las constantes de tiempo del lazo primario al secundario sea de tres o mayor. Por lo tanto, aunque el control en cascada sea suficientemente rápido ante perturbaciones de la variable secundaria no deja de tener el inconveniente de necesitar que se produzca una desviación antes de actuar, con el peligro de que sólo responde rápidamente ante la variable secundaria sin que actúe del mismo modo ante variaciones en la variable primaria (por ejemplo el flujo o la temperatura del producto de entrada).

El control en adelanto parte de la medida de una o más variables de entrada y actúa simultáneamente sobre la variable manipulada que produce la salida deseada del proceso.  

En la siguiente figura puede verse una comparación entre controles de realimentación, en cascada y en adelanto aplicados a un típico intercambiador de calor.

Nótese que el control en adelanto requiere un conocimiento exacto y completo de las características estáticas y dinámicas del proceso, en particular la relación entre el flujo del producto y la temperatura de salida, la influencia que tienen las perturbaciones en la presión del vapor, en la temperatura del producto de entrada, en el rendimiento del intercambiador, etc. Es decir, la relación entre la temperatura de salida y el flujo de entrada constituye un modelo de proceso y es la función de transferencia del sistema de control en adelanto. Evidentemente, el control es quien debe responder con esta función pero como es lógico, su eficacia depende de la precisión que se consiga en la medida de la variable o variables de entrada y de la precisión alcanzada en el modelo calculado del proceso. Por otra parte, hay que señalar que es costoso y a veces imposible determinar y duplicar el modelo exacto del proceso. Por lo tanto, siendo realmente un control en lazo abierto, su aplicación aislada dará lugar a un offset significativo, es decir, la temperatura de salida se apartará significativamente de la deseada.

En resumen, puede afirmarse que el control de realimentación puede controlar bien en régimen permanente, pero no lo hace satisfactoriamente en condiciones dinámicas de funcionamiento del proceso. En cambio, el control en adelanto es capaz de seguir rápidamente los cambios dinámicos, pero pude presentar un offset considerable en la variable de salida.

Afortunadamente, las dos técnicas pueden combinarse para obtener un control dinámico sin offset, tal como puede verse en la siguiente figura.

En esta figura el controlador en adelanto es de acción derivada; de este modo si el flujo es fijo la señal procedente del controlador de temperatura pasa sin cambios hacia la válvula. En cambio, si se presentan variaciones en el flujo, la señal derivada correspondiente se suma o se resta, según el sentido de la variación, a la de temperatura. De este modo, los cambios de carga en el flujo del producto son detectados y corregidos inmediatamente y compensan los cambios anticipados que, por esta causa, pudieran producirse en la temperatura. Esta disposición recibe el nombre de “control en adelanto estático”.

El control combinado anterior es relativamente sencillo, no tiene en cuenta las perturbaciones posibles en el vapor ni las variaciones en la temperatura del producto de entrada, ni la velocidad del producto a través del intercambiador. En la siguiente figura se presenta otro tipo de control en adelanto más perfecto, que recibe el nombre de “control en adelanto dinámico” (el bucle de control se ajusta más a las características dinámicas del proceso) combinado con el clásico control de realimentación.

En esta figura pueden verse varios instrumentos particulares: X – Multiplicador con bias- La señal de salida es 0=K1Qpt2 ±K2, con K1 como ganancia que ajusta la respuesta del sistema y K2 como bias que ajusta indirectamente la temperatura deseada del producto.

- Relé adelanto/retardo para acoplar las características dinámicas del bucle de control a las características dinámicas del proceso. Esta compensación se requiere sólo en los intercambiadores de calor de gran capacidad donde es beneficioso adelantar la señal de flujo de producto porque existe retardo en la aportación calorífica al producto una vez a aumentado el flujo de vapor. En los demás intercambiadores el producto pasa muy rápido a través del intercambiador, por lo que el flujo de vapor debe variar al mismo tiempo que cambia el flujo o la temperatura del producto y el relé es innecesario.

Si la instalación fuera un secadero de sólidos, el producto circularía lentamente y el relé de compensación debería retrasar la señal del flujo del producto.

El control en adelanto es útil en los siguientes procesos: • Procesos con tiempos muertos y retardos considerables,

difíciles o casi imposibles de controlar con el clásico control de realimentación (caso más frecuente de aplicación del control en adelanto).

• Procesos en los que la variable a controlar no puede medirse con precisión o de modo continuo.

• Procesos en los que la variable a controlar no es fija y viene determinada por otra variable o variables que deben ser máximas o mínimas.

CONTROL DE GAMA PARTIDA (RANGO DIVIDIDO)

El control de gama partida (split-range control) es una forma de control en el que una variable manipulada tiene preferencia con relación a otra u otras del proceso.

En la siguiente figura se muestra el Control de gama partida en dos intercambiadores de calor en serie.

La instalación se utiliza para calentar un producto cuyo flujo es muy variable; cuando es bajo basta un solo intercambiador para calentarlo y cuando la fabricación es la máxima son necesarios los dos.

Suponemos que, desde el punto de vista de seguridad, las válvulas deben cerrar en caso de fallo de aire, por lo cual el controlador de temperatura debe ser de acción inversa (al aumentar la temperatura baja la señal de salida). Si el flujo del producto es bajo, actuará la válvula de vapor V-1 porque la señal de salida estará comprendida entre 50-100% (9-15 psi). A medida que aumenta el flujo, el controlador de temperatura baja la señal gradualmente hasta que, cuando la señal baja de 50% (9 psi), la válvula V-1 permanece totalmente abierta con el primer intercambiador trabajando al máximo, y la válvula de control V-2 empieza a abrir iniciando el funcionamiento del segundo intercambiador.

A un flujo máximo determinado, las dos válvulas de control están abiertas y los dos intercambiadores trabajan al máximo.

La partición de la señal se logra usualmente mediante posicionadores acoplados a las válvulas de control que convierten el campo de señal de entrada (0-50% ó 50-100%) en todo el campo de variación estándar 3-15 psi.

SISTEMA DE CONTROL DE SALIDA MULTIPLE

Con frecuencia surge la necesidad de controlar una variable simple coordinando la manipulación de las variables paralelas, todas tienen esencialmente el mismo efecto en el proceso, la situación se presenta cuando dos o mas unidades paralelas sirven a un usuario común. Un ejemplo sería varias calderas descargando a un colector común de vapor, en el cual la presión debe ser controlada manipulando las cantidades individuales. Otra sería implicar compresores en paralelo sustrayendo en un colector común en el cual va a ser controlada su presión.

La división de la carga de las variables manipulada serían hechas de la siguiente forma:

1. La ganancia del bucle es constante a pesar de que el número de unidades está en automático.

2. El operador debería de permitir de distribuir la carga.3. Las unidades pueden ser sacadas de línea (puestas en

función) con un disturbio mínimo para la variable controlada común.

4. Las unidades pueden entrar o dejar a limites con disturbios mínimos a la variable controlada común.

Estos objetivos pueden ser conseguidos a través de la coordinación cuidadosa de las variables manipuladas sobre un programa o por medio de la base de cálculos o por medio de un bucle de retroalimentación rápido secundario, la elección depende de la aproximación en el cual el efecto de la manipulación puede ser producida y que su velocidad de respuesta puede ser obtenible.

CONTROL BIAS

Este sistema esta basado en la suposición del efecto de cada variable manipulada individual sobre la variable controlada común que es razonablemente uniforme a través de su rango de operación. Si en este caso, el efecto de todas las señales de salida actúan juntas es la suma de las señales individuales.

En la siguiente figura se describe un sistema en donde la suma de compensación de las señales de salida es realimentada a un integrador de alta velocidad, el cual también recibe una orden del controlador maestro. Porque es un solo bucle de retroalimentación, el integrador debe tener una constante de tiempo pequeña (de 1s para instrumentos neumáticos, menos para instrumentos electrónicos y un intervalo de maestro para los digitales).

El integrador acciona todas las salidas del tablero de manipulación para forzar la suma compensada de todas las salidas para igualar lo que el controlador maestro demanda. El operador es libre de ajustar cualquier salida a través de la estación HIC (indicador de control manual). Estas estaciones pueden incluir una función de relación o bias, o posiblemente ambos. Una estación de relación multiplica su señal de salida por una relación de ajuste manual para producir la salida, mientras que una estación de bias suma o substrae un ajuste bias manualmente. Los limites de salida ajustable están normalmente incluidos, junto con la capacidad de proporcionar la salida manualmente.

Cuando se hace un ajuste, el cambio resultante en la salida afecta a la suma ponderada (compensada), causando que el integrador reajuste su orden a todas las salidas hasta que la suma original se establezca. La velocidad grande de respuesta de este bucle debería de prevenir la perturbación de cualquier efecto diferente sobre la variable común controlada. Similarmente, cualquier acción tomada manualmente afecta la salida total y es corregida sin retraso por el integrador y cuando una unidad encuentra un limite, el integrador accionará a las otras para ejecutar esa insuficiencia.

Las unidades que son cerradas, en manual, u operando en limites son inútiles en responder a la acción de control. Esto reduce la ganancia del bucle, pero solo en el bucle rápido cerrado por el integrador.

Su constante de tiempo debe entonces ser ajustado para una condición de la más alta ganancia, por ejemplo, cuando todas las unidades están en línea; entonces todas las otras condiciones resultarán en una respuesta lenta. Pero si la velocidad de respuesta de este bucle en el orden de 2 de magnitud mas rápida que la del bucle maestro, el funcionamiento de el anterior no será degradado materialmente.

Si hay muchas variables manipuladas en paralelo, la ganancia de el bucle interno podría variarse considerablemente con el número automático. En situaciones así y la velocidad y la estabilidad están ambas mejoradas si el controlador secundario es sustituido calculando cada salida de la salida del controlador maestro sobre la base de el número de unidades en automático y de sus salidas. Permite que cada estación de control manual se ajuste a un circuito lógico a la señal cuando su salida esta deshabilitada por cualquiera, ya sea manual o en los limites alto o bajo.

También envía a una computadora su salida si se habilita o deshabilita el bias. Entonces el valor de cada variable manipulada habilitada podría calcularse con la siguiente formula:

Donde: = estación bias n = numero total de ecuacionesm = salida del controlador primario = suma de los términos bias paralelos salidas

habilitadas. = suma de salidas inhabilitadas = numero de salidas habilitadas

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APLICACIONES EN LA INDUSTRIAESQUEMAS TIPICOS DE CONTROL

Calderas de vapor

Las calderas de vapor se utilizan en la mayoría de las industrias debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor en t/h a una presión especificada y con una capacidad adicional de flujo en puntas de consumo de la fábrica.

A la caldera se le exige, pues, mantener una presión de trabajo constante para la gran diversidad de caudales de consumo en la factoría, por lo cual debe ser capaz de:

a) Aportar una energía calorífica suficiente en la combustión del fuel-oil o del gas con el aire.

b) Desde el punto de vista de seguridad, el nivel debe estar controlado y mantenido dentro de unos límites.

c) Es necesario garantizar una llama segura en la combustión.

d) El sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la operación y en el paro de la caldera.

e) El funcionamiento de la caldera debe ser optimizado para lograr una rentabilidad y economía adecuadas, lo cual es posible con un control digital y/o distribuido que permite optimizar la combustión (ahorros de 2 a 10% en combustible) y ganar en seguridad.

Control de combustión

La regulación de la combustión se basa en mantener constante la presión de vapor en la caldera, tomándose sus variaciones como una medida de la diferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.

El controlador de la presión de vapor ajusta la válvula de control de combustible. La señal procedente del flujo de aire es modificada por un relé de relación para ajustar la relación entre el aire y el combustible, y pasa a un controlador que la compara con la señal de caudal de combustible. Si la proporción no es correcta, se emite una señal al servomotor de mando del ventilador o a la válvula de mariposa, de modo que el flujo de aire es ajustado hasta que la relación combustible-aire es correcta.

En la regulación de la combustión puede darse preferencia en el mando al combustible o al aire para que la operación de la caldera corresponda a un sistema determinado de varias características de seguridad. Estas características de combustión son las siguientes:

• Flujo combustible-flujo aire en serie• Flujo aire-flujo combustible en serie• Presión de vapor-flujo combustible/flujo vapor-flujo aire

en serie• Flujo aire-flujo combustible en paralelo

Flujo combustible-flujo aire en serie

En el primer esquema de funcionamiento que puede verse en la siguiente figura, el controlador de presión ajusta el punto de consigna del controlador de flujo de combustible y esta variable actúa a través del relé de relación combustible-aire, como punto de consigna del controlador de aire. Como las variaciones del flujo de combustible influyen lentamente en la señal de presión de vapor, el controlador <<maestro>> se ajusta para una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta disposición si varía la presión del vapor, el flujo de combustible cambia antes que el aire de combustión. Si se limita el flujo de combustible, lógicamente quedará también limitado el flujo de aire. La desventaja principal del sistema es el riesgo de explosión que se presenta ante un fallo de aire en el punto de consigna del controlador de flujo de aire, si así ocurre no hay aire de combustión pero el combustible continua circulando.

Figura.- Flujo combustible-flujo aire en serie

Flujo aire-flujo combustible en serie

Tal como puede verse en la siguiente figura, aquí la señal de aire ajusta a través del relé de relación el controlador de combustible. El sistema es mas seguro que el anterior ya que elimina la posibilidad de formación de una mezcla explosiva cuando falla la señal de aire de combustión.

Una variante de este sistema consiste en utilizar un controlador de carga de la caldera a la salida del <<maestro>> de presión (común a varias calderas). La salida del controlador de carga es dirigida a dos selectores de máxima y de mínima, lo que permite: ante un aumento de la demanda de vapor la señal pasa al controlador de aire, sin que el combustible o el gas aumente hasta que no lo ha hecho el aire; si la demanda de vapor disminuye, el combustible disminuye primero y luego lo hace el aire; y si la señal de aire falla, el flujo de combustible baja a cero automáticamente.

Figura.- Flujo aire-flujo combustible en serie

Presión de vapor-flujo combustible/flujo vapor-flujo aire en serie

El sistema representado en la siguiente figura se caracteriza por mantener con más seguridad la relación correcta aire-combustible aunque el combustible no sea medido correctamente. El controlador de presión de vapor ajusta el controlador el controlador de flujo de combustible. El transmisor de flujo de vapor ajusta el controlador de flujo de aire al sistema de control de combustión. Aunque las variaciones de flujo de vapor sean rápidas las fluctuaciones que experimenta no lo son tanto como la presión de línea de vapor principal. Este sistema se emplea con preferencia en calderas de carbón pulverizado.

Figura.- Presión de vapor-flujo combustible/flujo vapor-flujo aire en serie

Flujo aire-flujo combustible en paralelo

La ventaja principal de este sistema, que puede verse en la siguiente figura, es su control directo en el combustible y en el aire. De hecho, para mantener una relación correcta combustible-aire conviene incorporar al sistema un relé de relación manual.

Figura.- Flujo aire-flujo combustible en paralelo

Control de nivel

La regulación del agua de alimentación que establece el nivel de la caldera depende de múltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control de presión del agua de alimentación.

El sistema de control del agua de alimentación puede realizarse de acuerdo con la capacidad de producción de la caldera, según la siguiente tabla y que el lector debe tomar sólo como guía de selección teniendo presente que cada caso individual debe estudiarse separadamente.

En la regulación de nivel de un elemento representado en la siguiente figura el único instrumento utilizado es el controlador de nivel que actúa sobre la válvula del agua de alimentación. El instrumento medidor de nivel puede ser del tipo desplazamiento o de presión diferencial de diafragma.

En calderas de pequeña capacidad, inferior a 1000 kg/h, la regulación puede ser todo-nada, con dos alarmas de nivel alto y bajo que ponen en marcha la bomba de alimentación del agua.

En calderas de capacidad media, del orden de 2000-4000 kg/h, puede utilizarse un controlador de flotador con un reóstato acoplado eléctricamente a una válvula motorizada eléctrica. Este conjunto actúa como un control proporcional con punto de consigna el punto medio del campo de medida del nivel de flotador.

La regulación de nivel de dos elementos se logra con un controlador de flujo de vapor y un controlador de nivel cuyas señales de salida se comparan en un relé de relación que actúa directamente sobre la válvula de control del agua de alimentación. En la siguiente figura puede verse este sistema de control. De acuerdo con la demanda del flujo de vapor hay una aportación inmediata de agua de alimentación a través del controlador secundario de nivel. Este ultimo es utilizado solamente como reajuste de las variaciones que pueden producirse con el tiempo en el nivel de la caldera.

La regulación de tres elementos elimina el fenómeno de oscilación del nivel de agua que se produce cuando el flujo de vapor crece o disminuye rápidamente.

Cuando el flujo de vapor aumenta bruscamente, la presión baja, con lo que se produce una vaporización rápida que fuerza la producción de burbujas y agua, lo que da lugar al aumento aparente de nivel de la caldera. La oscilación es opuesta a la demanda y el fenómeno es importante en calderas de cierta potencia y volumen reducido, sujetas a variaciones de flujo frecuentes y rápidas.

La oscilación es opuesta a la demanda y el fenómeno es importante en calderas de cierta potencia y volumen reducido, sujetas a variaciones de flujo frecuentes y rápidas.

Las tres variables que intervienen en el sistema son:

• Flujo de vapor• Flujo de alimentación de agua• Nivel de agua

Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, ell flujo de vapor y el agua deben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe reajustarse periodicamente para que se mantenga dentro de unos límites determinados (normalmente son de unos 50 mm por encima y por debajo de la línea central de la caldera). Manteniendo estas funciones en las tres variables, los instrumentos correspondientes pueden estar relacionados entre sí de varias formas.

Las más representativas se encuentran en la siguiente figura, en las que una señal anticipativa (feedforward) del flujo de vapor, se supone al control de nivel, y todas tienen por objeto dar prioridad a las diferencias entre los flujos de agua y vapor frente a las variaciones de nivel que pueden producirse ante una demanda súbita, es decir, el sistema de control en estas condiciones actúa obedeciendo a la diferencia relativa de flujos con preferencia a los cambios de nivel.

Señalemos que la medida del flujo de vapor se efectúa preferentemente con una tobera porque su forma suave evita la erosión que de otra forma se produciría en una placa de orificio por causa de las gotas de agua que inevitablemente arrastra el vapor. El flujo de agua de alimentación puede medirse a través de una placa de orificio o de una tobera.

Seguridad de llama

Exceptuando las calderas de muy pequeña capacidad, el elemento detector utilizado universalmente es el ultravioleta por la gran seguridad que ofrece. El relé de llama conectado al detector puede adoptar muchas formas, desde la más sencilla alarma y paro de la caldera hasta realizar funciones de:

• Prebarrido, es decir, limpieza de los gases que pueden haberse acumulado desde la última combustión

• Encendido de la llama piloto

• Encendido de la llama principal

• Paro de la instalación según un enclavamiento secuencial en el que intervienen los elementos: fallo de llama, presóstato de baja presión de combustible o gas, alarma de nivel de la caldera, etc.

• Postbarrido, fase en la que se limpian los gases quemados

El circuito de llama (detector+relé) dispone además de una comprobación de su propio circuito en el arranque de la caldera, lo cual es suficiente en las industrias que paran una vez a la semana. Si el proceso es continuo y la caldera debe trabajar sin paros durante periodos prolongados, aumenta el riesgo de coincidencia entre el fallo del sistema de seguridad y la presencia de grandes cantidades de combustible sin quemar.

Se recomienda utilizar un detector ultravioleta que permite autocomprobar cada segundo el circuito electrónico del sistema de llama. Se consigue mediante una placa que corta periódicamente la radiación de la llama hacia el detector, momento en el cual se autocomprueba el circuito. Cualquier fallo detectado hace parar la instalación.