Sistema eficiente para calderas

Tradicionalmente, los quemadores usados en calderas industriales, comerciales y calentadores de aire operan con un sistema mecánico de levas y varillas. Este sistema ha sido usado por muchos años; si bien ha funcionado, existe un gran número de ineficiencias asociadas con él.

Jesús Vázquez Gutiérrez.

En fechas recientes, ha ido en aumento la consideración por el cuidado del medioambiente en todas sus formas, por lo que se busca un equilibrio en todos los ámbitos. Sin darnos cuenta, el equilibrio del nivel de oxígeno es algo asombroso: una persona puede estar por la mañana en la Ciudad de México y viajar a Monterrey, y sin ningún problema es capaz de respirar el mismo aire debido a que existe esta armonía en toda la Tierra, la cual debemos de cuidar.

En este sentido es que diversas compañías, dentro del ramo de la termodinámica, ponen gran énfasis en cuidar al medioambiente. Están a la vanguardia en equipos que dentro de los procesos industriales ayudan a cuidar el entorno y también ayudan a los empresarios a realizar los cambios dentro de sus empresas, al mismo tiempo que obtienen beneficios.

En México, existen miles de variedades de equipos para generar vapor y agua caliente; por lo que se busca que la caldera produzca vapor de manera más eficiente; es decir, que por cada volumen de gas se produzca la mayor cantidad de vapor (ver imagen 1).

Utilización de calderas:
•   Procesos industriales (generar vapor)
•   Cadenas hoteleras (generar agua caliente y vapor)
•   Zonas turísticas (generar agua caliente y vapor)
•   Hospitales (generar agua caliente y vapor)

Cabe señalar que la mayoría de las calderas en México no cuenta con un equipo que tenga:
•   Un control de reducción de consumo de combustible
•   Un control de forma automática y con monitoreo continuo
•   Disminución de emisiones de gases contaminantes

Es por ello que muchas calderas en México continúan con el sistema tradicional de control de varrillaje, que consiste en un sistema que se encarga de controlar la potencia de la caldera a través del quemador, ya sea abriendo o cerrando las válvulas de aire y gas para hacer la flama del quemador más grande o más pequeña (ver imagen 2).

Algunos problemas relacionados con este tipo de quemadores es que se aflojan y se mueven. La industria de la combustión, durante años, ha estado esperando por una solución más efectiva para reducir el costo del ciclo de vida de los equipos y mejorar la eficiencia de combustión.

Adicional al problema del varillaje, se presenta el control de flujo de las válvulas de control de aire y gas, ya que pueden estar abiertas un porcentaje igual, pero por ser de diferente tamaño tienen distintos flujos. Esto, debido a que en la combustión se busca también el equilibrio. En gas natural, se tiene una relación de 10:1; esto quiere decir que para que la combustion sea idónea se necesita una parte de gas por 10 partes de aire.

Con el sistema de varillaje, en una gran mayoría de puntos de ajuste de control de la caldera, se pierde la carburación de la caldera y comienza a consumir más gas y también a generar más contaminantes  (ver gráfica 1).

Control
El equipo Nexus (PPC 400) de Fireye realiza estas funciones; integrado con el equipo Burner Logix (control de seguridad de flama), realiza la tarea de producción de vapor de forma eficiente y segura.

El equipo controla la relación aire/combustible a través del monitoreo de los actuadores y del sensor de oxígeno, controlando también los flujos hacia el quemador para mantener la más óptima combustión, monitoreando en línea e indicando en el display el estatus actual del equipo (ver imagen 3).

1. Asegurar que se proporcione el flujo idóneo de combustible al quemador de manera precisa, tanto en fuego alto, como en fuego bajo y en todo el rango de operación.
2. Asegurarse de que las relaciones de aire-gas ya se ajustaron; mantenerlos así por periodos más largos, sin requerir constantes intervenciones de mantenimiento.

Operación
La calibración de la caldera con el equipo Nexus se realiza mediante la programación de los puntos de ajuste, los cuales se van grabando en el controlador paralelo, con lo que realiza en conjunto el análisis de gases en cada punto para que la combustión esté dentro de los parámetros que la norma permite.

Una vez que se ha configurado la curva del quemador/caldera, se puede hacer una revisión en tiempo real del sistema característico de operación y se puede corroborar con un analizador de gases.

Posterior a la programación de todos los puntos, el equipo se pone a trabajar en modo automático, manteniendo a la caldera dentro de los parámetros permitidos de carburación. El equipo Nexus, con los puntos que fueron grados, realiza una interpolación lineal, izando la curva de operación de la caldera con una combustión dentro de los parámetros, los cuales pueden ser corroborados con el analizador de gases, con la caldera operando en modo automático sin ningún problema. (ver gráfica 2).

Servo motores
El equipo Nexus utiliza servo motores, los cuales se acoplan directamente a las válvulas de aire y otro a la de gas, eliminando así el varillaje que con el tiempo se afloja y desajusta la calibración de la caldera.

En la gráfica 3 se puede apreciar que el equipo mantiene la relación de calibración de la cadera, a pesar de haber transcurrido un largo tiempo, dando una ventaja muy clara sobre el acoplamiento del varillaje (ver gráfica 3).

Esto es muy importante, ya que, si los puntos programados al momento de calibrar la caldera se mueven, habrá repercusiones en el análisis de gases que se le realiza a la caldera en la chimenea y también consumirá más combustible.

Lazos de control
1. Lazo de control para el punto de operación del proceso. En este caso, si requiere 7 kilos de presión de vapor, el equipo proporciona la potencia necesaria a través del quemador con control PID (ver gráfica 4).
2. Control simultáneo de las emisiones de gases. En este caso, se mantienen los niveles de O2 en un valor menor de 5 por ciento y mayor de 2 por ciento en todo el rango de operación del quemador.

Sensor de oxígeno
Éste monitorea en tiempo real las emisiones de los gases; monitorea y realiza una micro-corrección dentro de la curva de operación de la caldera.

1. El sensor detecta cuando hay poco nivel de oxígeno en la chimenea (ver imagen 4)

Cuando esto sucede es porque en la relación de aire/gas de la caldera, en este caso, el aire es muy poco y los niveles de CO (monóxido de carbono) tienden a ser mayores.

2. El detector censa que hay demasiado nivel de oxígeno en la chimenea (ver imagen 5)

Cuando esto sucede es porque en la relación aire/gas de la cadera, en este caso, el aire es demasiado y los niveles de O2 (bióxido de oxígeno) tienden a ser mayores. El equipo Nexus mantiene estos parámetros bajo control (ver gráfica 5)

Controlador paralelo para todo tipo de calderas
•   Control paralelo
•   Ahorros reales de combustible
•   Reducción y control de emisiones de CO y O2

NORMA Oficial Mexicana NOM-085-ECOL-1994
• Control de emisiones en todo rango de operación
• Máximo aprovechamiento de combustible
• Reducción de mantenimientos
• Eliminación de varillaje

Lograr un control eficiente de la relación aire/gas de forma muy precisa da el beneficio de dos cosas muy importantes:

1. Reducción de CO y O2 a valores permitidos por los estándares determinados por la NOM
2. Reduce el consumo de combustible entre 3 y 8 por ciento (si consideramos que en México tenemos muchas calderas que consumen por encima de los 8 mil 600 metros cúbicos de gas o más al día)

Con ello, es posible ahorrar como mínimo 500 metros cúbicos de gas al día. Si una sola caldera se hace más eficiente con este sistema, se tendría un ahorro de 180 mil metros cúbicos de gas al año, los cuales benefician al medioambiente y al bolsillo

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Jesús Vázquez Gutiérrez
Egresado de la carrera de Ingeniería en Electrónica del Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec. Especialista en Control de Instrumentación, en PLC y HMI, y actualmente en sistema SCADA. Es jefe del área de Ingeniería en la empresa Enterprise.

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3 comentarios

  1. Entre mejor sea el sistema mejor será la producción del vapor, por lo tanto generara más agua caliente que por lo general es muy pedida en lugares como las residencias y hoteles entre otros.

  2. Buen día.

    Puede enviarme una cotización de ese equipo y los componentes que que lo incluyen.

    Le pido de favor también que me agregue precios de mantenimiento y frecuencia del mismo.

  3. Podrían enviar información de estos equipos ya instalados en algunas calderas así como precios de los mismos.

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