Control de sistemas de vapor

SISTEMAS DE VAPOR

En una planta industrial, el vapor es utilizado en múltiples servicios, tales como:

• Suministro de energía a las unidades y equipos que así lo requieran.
• Agente facilitador para el despojamiento en procesos de destilación.
• Desplazamiento de oxígeno en circuitos de procesos previos al arranque de sus operaciones.
• Agente de sofocamiento de incendios en hogares de hornos y calderas.
• Medio de limpieza general.

A fin de atender estos requerimientos, el agua es sometida a una serie de transformaciones por medio de la variación de las condiciones a las cuales está sometida. Todo ello ocurre en lo que se conoce como “Sistema de Vapor”, el cual es el conjunto de equipos y tuberías que permite su producción y distribución a los diversos consumidores, así como su posterior recuperación como condensado a fin de enviarlo hacia las calderas y de esta manera reiniciar el ciclo, el cual se conoce como “Ciclo de Vapor”.

A fin de ilustrar lo anterior, en la Fig. II. 1 se muestra la “superficie termodinámica” (diagrama presión-volumen-temperatura o pVT) del agua, sobre la cual están sobrepuestas dos líneas:

• “a-b-c-d-e-f”, que representa un nivel de presión constante sobre la superficie, y que sólo se muestra como referencia.
• “g-h-i-j-k-m-n-g”, que ilustra los estados por los que transita el agua dentro del sistema de vapor.

En ella, el efecto de los diversos equipos que componen el sistema están representados por los segmentos siguientes:

• G-h: bombas de alimentación.
• H-i-j: Precalentador/caldera.
• J-k: Sobrecalentador.
• K-l: Desobrecalentador.
• L-m: Consumo.
• m-n: Condensador.
• N-g: Postenfriamiento (incluyendo el efecto de la reposición del agua).

En resumen, un sistema de vapor incluye básicamente tres tipos de elementos.

• Consumidores de la energía suplida a través del vapor, tales como turbinas, columnas de fraccionamiento y calentadores.
• Sistemas de distribución, que garantiza el despacho del vapor a los consumidores en condiciones adecuadas de presión y temperatura.
• Generadores, en los cuales le es transferida al agua la energía que debe ser distribuida, principalmente son constituidos por calderas, y ocasionalmente por equipos recuperadores de calor de desperdicio o excedente de algunos procesos.

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Fig. II. 1 Ciclo de vapor

En este capítulo se cubren los dos primeros  elementos y sus respectivos esquemas de control, dejando por su complejidad el estudio de los generadores para un capitulo aparte.

Turbinas

Una turbina es un equipo capaz de transformar la energía contenida en el vapor que recibe en energía mecánica, y entregarla a un equipo rotativo a través de un eje común. Existen diversos tipos de turbina, los cuales se mencionan a continuación.

Turbinas Condensadoras

Estas turbinas están diseñadas para extraer todo el calor posible del vapor sin que éste llegue a condensarse, por lo que se encontrará saturado a las condiciones de descarga. De esta manera, sólo es necesario un retiro menor de calor para su condensación, lo cual se realiza en equipos diseñados para ello (condensadores).

Solo es aplicable en este caso el control de carga; para ello es muy común la utilización de un gobernador, el cual es un dispositivo especialmente diseñado para medir y controlar la velocidad de la turbina, manipulando la(s) válvula(s) de admisión de vapor. Opcionalmente puede establecerse un control directo de carga, midiendo alguna variable que la representa (por ejemplo flujo del producto bombeado o comprimido, o potencia eléctrica generada). La Fig. II. 2 ilustra este último caso.

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Fig. II. 2 Control de Turbinas

Turbinas no Condensadoras

A diferencia de la anterior, estas turbinas están diseñadas para descargar a un cabezal de menor presión y, por tanto, no absorben toda la energía disponible en el vapor que consumen; los esquemas de control son los mismos que los del caso anterior.

Turbinas de Extracción

Las turbinas de este tipo están formadas por varias etapas, y presentan la particularidad de tener una o varias salidas intermedias cuya finalidad es proveer vapor a presiones inferiores a la de  suministro primario a la turbina; este arreglo es mucho más eficiente que obtener dichas presiones por medio de válvulas para reducir la presión, ya que en lugar de la inevitable disipación de energía que estas últimas conllevan, dicha energía es recuperada como trabajo en las etapas anteriores a la extracción.

En general, además de las válvulas principales de admisión de vapor, este tipo de turbinas dispone de conjuntos de válvulas en cada una de sus etapas secundarias que distribuyen el vapor según se requiera hacia dichas etapas o hacia la correspondiente extracción, la cual se hace inmediatamente aguas arriba de dichas válvulas; en la Fig. II. 3 muestra un arreglo típico para un equipo de dos etapas, en el que la presión del cabezal secundario es contrala manipulando el vapor suministrado por la turbina.

[pic 7]

Fig. II. 3 Control de turbinas de extracción

Como puede observarse, el esquema de control en este caso tiene dos objetivos:

• Control de la velocidad de la turbina.
• Control de la presión de la extracción.

El esquema incluye un par de desacopladores ya que las dos variables son altamente interactivas. Así, ante un incremento de la carga de la turbina, el sistema abrirá adecuadamente los dos conjuntos de variables a fin de suministrar más vapor a ambas etapas, sin alterar el flujo de vapor requeridos para mantener la presión de la extracción. Por otra parte, ante un  incremento de la demanda de vapor de la extracción, el sistema abrirá las válvulas principales de admisión de vapor, pero las de la segunda etapa a fin de canalizar este flujo adicional hacia la extracción.

La gráfica de la Fig. II. 4 muestra el comportamiento típico de un arreglo como éste. El punto “A” de este ejemplo en particular indica que para manejar el 100% de la carga de diseño la turbina soló requiere de un 40% del máximo flujo que puede admitir, lo cual significa que puede suministrar por la extracción hasta un 60% del flujo máximo de entrada. Al estar sobre la línea de 0% de extracción, el punto “A” y la línea punteada que en él se origina también señalan máxima admisión de vapor a la 2da etapa y por tanto máxima apertura hacia ella de la correspondiente válvula.

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