Una caldera de vapor debe tener instalada una válvula de interrupción (también conocida como válvula de salida de vapor). Esta aísla la caldera de vapor y su presión del proceso o la planta. Generalmente es una válvula de globo en ángulo del modelo de husillo. La figura 19 nos muestra una válvula de interrupción típica de este tipo:
En el pasado, estas válvulas estaban fabricadas de hierro fundido, acero y bronce (que se usan para las aplicaciones con presiones más altas). La normativa BS 2790 no permite las válvulas de hierro fundido para esta aplicación. Fundición nodular o SG no debe confundirse con hierro de fundición gris ya que tiene propiedades mecánicas más parecidas a las del acero. Por esta
razón muchos fabricantes de calderas usan válvulas de fundición nodular como estándar en sus propias aplicaciones como válvula de interrupción.
La válvula de interrupción no se diseña como una válvula para proporcionar más o menos vapor, debe abrirse o cerrarse totalmente. Siempre debe abrirse lentamente para evitar aumentos repentinos de presión aguas abajo y los golpes de ariete.
Para cumplir con las normativas del Reino Unido, la válvula debe ser del tipo de "volante que asciende". Esto le permite al operador de la caldera ver fácilmente la posición de la válvula, incluso desde abajo.
La válvula mostrada tiene un indicador esto lo hace aún más fácil para el operador.
En aplicaciones de varias calderas debe instalarse una válvula de aislamiento adicional en serie con la válvula de salida de vapor. Ésta es, generalmente, una válvula del globo de husillo, del tipo de retención que previene que una caldera presurice a otra. Alternativamente, algunas empresas prefieren usar una válvula globo de husillo con una válvula de retención de disco intercalada entre las bridas de las dos válvulas de aislamiento.
Válvulas de retención.
La válvula de retención (como la de las Figuras 20 y 21), se instalan en la tubería del agua de alimentación de la caldera entre la bomba de alimentación y la caldera. Una válvula de aislamiento para la alimentación a la caldera se instala en el cuerpo de la caldera.
La válvula de retención contiene un resorte que mantiene la válvula cerrada cuando no hay presión en la caldera aunque el tanque de alimentación tenga un nivel elevado, además previene que la caldera se inunde por la presión estática del agua de alimentación.
Bajo condiciones normales de vapor, la válvula de retención funciona de una manera convencional para detener flujo del retorno de la caldera que entra en la línea de alimentación cuando la bomba de alimentación se para. Cuando la bomba de alimentación se pone en marcha, su presión vence al resorte para alimentar la caldera.
Válvulas de purga de fondos.
Las calderas deben tener como mínimo una válvula de purga de fondo, en un lugar cercano al que pueda que se acumule el sedimento o lodo.
Estas válvulas deben accionarse con una llave y están diseñadas de tal manera que es imposible sacar la llave con la válvula abierta. Ahora están disponibles válvulas de purga de fondo automáticas que se controlan por temporizadores incorporados en los controles electrónicos que aseguran que una sola caldera puede purgarse a la vez. Las Figuras 22 y 23 muestran válvulas típicas de purga de fondo.
Con purga de fondo manual en una instalación de varias calderas, sólo se permite una llave en la sala de calderas. De esta manera es imposible que el contenido de la purga de fondo de una
caldera pase a otra y que tenga que pararse para el mantenimiento.
En el Reino Unido por ejemplo, el tema de purga de fondo lo cubre el documento PM60 de las normativas de Seguridad e Higiene. En otras partes del mundo tienen sus propias normativas.
Manómetros.
Todas las calderas deben tener como mínimo un indicador de presión. El tipo usual es un manómetro sencillo según la normativa BS1780 Parte 2 – clase uno.
El dial debe tener como mínimo 150 mm de diámetro y ser del tipo de tubo de bourdon, debe tener marcado la presión de trabajo normal (indicado por una línea roja en el dial) y la presión / diseño de trabajo máximo permisible (indicado por una línea morada en el dial).
Los manómetros, normalmente, se conectan al espacio vapor de la caldera por un tubo sifón en R que está lleno de vapor condensado para proteger el mecanismo del dial de altas temperaturas.
Se pueden instalar manómetros en otros recipientes a presión como tanques de purga de fondo, normalmente tendrán diales más pequeños como muestra la Figura 24.
Indicadores de nivel y sus accesorios.
Todas las calderas tienen como mínimo un indicador de nivel de agua, pero las de más de 145 kg/h deben tener dos indicadores. En el Reino Unido, la normativa BS 3463 cubre los indicadores de nivel.
Un tubo de cristal muestra el nivel real del agua en la caldera sean cuales sean las condiciones de trabajo de la caldera. Deben instalarse indicadores de nivel para que nos muestren su lectura más baja del nivel del agua a 50 mm del punto sobre donde ocurrirá el sobrecalentamiento. Alrededor de ellos deben instalarse protectores que no deben impedir la visibilidad del nivel del agua.
La figura 25 nos muestra un indicador de nivel típico.
Los indicadores de nivel son propensos a daños por la corrosión de los químicos en el agua de la caldera, y erosión durante la purga de fondo, especialmente en el lado del vapor. Cualquier
señal de corrosión o erosión nos obliga a cambiar el cristal.
Para comprobar un indicador de nivel, debe seguirse el siguiente procedimiento;
Cerrar el grifo de agua y abrir el grifo de purga durante aprox. 5 segundos.
Cerrar el grifo de purga y abrir la llave del agua – el agua deberá volver rápidamente a su nivel del funcionamiento normal, si esto no ocurriera, entonces podría haber un obstáculo en el grifo de agua y debe remediarse lo más pronto posible.
Cerrar el grifo de vapor y abrir el grifo de purga durante aproximadamente 5 segundos.
Cerrar el grifo de purga y abrir la llave de vapor, Si el agua no vuelve a su nivel rápidamente, podría haber un obstáculo en el grifo de vapor y debe remediarse lo más pronto posible.
El operador autorizado debe comprobar sistemáticamente los indicadores de nivel por lo menos una vez al día llevando la protección necesaria en la cara y las manos para protegerle de quemaduras en caso de la rotura del cristal.
Todas las manetas del indicador de nivel deben apuntar hacia abajo cuando está trabajando. La protección del indicador de nivel debe mantenerse limpia.
Cuando se está limpiando la protección debe cerrarse temporalmente el indicador de nivel.
Protectores de los indicadores de nivel.
Asegúrese de que hay un nivel de agua satisfactorio antes de cerrar el indicador de nivel y tener cuidado de no tocar o golpear el cristal. Después de limpiar y cuando se ha colocado la protección, el indicador de nivel debe comprobarse y los grifos puestos en la posición correcta.
El indicador de nivel debe renovarse completamente en cada revisión anual. La falta de mantenimiento puede producir endureciendo de la estopada que bloquea los grifos. Si se dobla
o se distorsiona una maneta de un grifo, hay que asegurarse de que el grifo está totalmente abierto. Los accesorios dañados deben renovarse o repararse inmediatamente. Los cristales suelen perder transparencia debido a las condiciones del agua, también se desgastan por la corrosión. Por consiguiente, los cristales deben renovarse regularmente.
Se debe disponer de cristales y estopadas de recambio.
Recuerde:
Si los pasos de vapor están estrangulados nos puede dar un falso nivel alto de agua en la caja de nivel. Después de que se ha comprobado el indicador, todavía puede indicar un falso nivel alto de agua.
Si los pasos de agua están estrangulados nos puede dar un falso nivel de agua alto o bajo en la caja de nivel. Después de que se ha comprobado el indicador, permanecerá vacío durante un tiempo a menos que el verdadero nivel de agua este peligrosamente alto.
Al comprobar las conexiones de vapor de la caja de nivel, deben cerrarse los grifos de conexión a la tubería de agua del indicador de nivel. Al comprobar las conexiones de vapor del indicador de nivel, deben cerrarse los grifos de conexión a la tubería de agua del indicador de nivel.
Cámaras de control de nivel.
Las cámaras de control de nivel están en la parte externa de la caldera y sirven par instalar los controles o alarmas de nivel como muestra la Figura 26.
El funcionamiento de los controles o alarmas de nivel se verifica diariamente cuando se usa la válvula de purga secuencial. Con el volante girado totalmente en sentido contrario a las agujas de reloj, la válvula estará en la posición de "funcionamiento normal" y un asiento trasero cierra la conexión del desagüe. El dial del volante puede ser similar al mostrado en la Figura 27.
Algunos volantes no tienen dial, dependen del mecanismo del volante para un funcionamiento correcto.
Un procedimiento típico que puede usarse para comprobar los controles cuando la caldera está bajo presión con el quemador encendido es el siguiente:
1. Lentamente girar el volante en el sentido de las agujas hasta la primera posición PAUSA. La conexión a la cámara está cerrada, la conexión al drenaje abierta y la conexión de agua purgando.
2. Esperar de 5 a 8 segundos
3. Girar lentamente el volante hasta el final de la placa. La conexión del agua está cerrada, el drenaje permanece abierto y la conexión de vapor purgando. La alarma de nivel bajo de agua en la caldera aparecerá, es decir, la bomba funcionando y / o un sonido de alarma, el quemador se parará.
4. Si se tiene una segunda cámara de control de nivel con una alarma de nivel muy bajo, la caldera se parará. Esperar de 5 a 8 segundos.
5. Girar el volante a la posición TRABAJO NORMAL para cerrar.
Hay varios fabricantes de válvulas de purga de secuencial. Pueden diferir en el procedimiento de funcionamiento. Es esencial que se sigan las instrucciones de funcionamiento del fabricante.
Controles de nivel instalados dentro de la caldera.
Hay sistemas del control de nivel que proporcionan un grado mayor de seguridad que los mencionados anteriormente. Los sensores se instalan directamente dentro del cuerpo de la caldera y proporcionan una función de supervisión de la integridad del sistema. Debido a que están instalados internamente, no están sujetos a los procedimientos de purga de fondo de las cámaras externas. El funcionamiento del sistema se comprueba con una prueba de evaporación. Las fundas de protección se instalan para amortiguar el nivel de agua alrededor del sensor.
Eliminadores de aire y rompedores de vació.
Cuando una caldera se pone en marcha, el espacio de vapor está lleno de aire. Este aire no tiene valor calorífico, de hecho afectará adversamente al funcionamiento de la planta debido a su presión parcial como se demuestra en la ley de Daltons, y también su efecto de cubrir las superficies de intercambio de calor. El aire también puede dar lugar a corrosión en el sistema de condensado, si no se elimina adecuadamente.
El aire puede purgarse del espacio de vapor simplemente usando una válvula manual, normalmente quedaría abierto hasta que el manómetro marque una presión aproximada de 0,5 bar. Una alternativa al grifo es un eliminador de aire de presión equilibrada que no sólo libera al operador de la caldera de la tarea de purgar aire manualmente (y asegura que realmente se realiza), también es mucho más preciso y eliminará los gases que se pueden acumular en la caldera. En la Figura 29 se muestran unos eliminadores de aire.
Cuando se para una caldera, el vapor en el espacio vapor se condensa produciendo un vacío. Este vacío ejerce una presión desde el exterior sobre la caldera, y puede producir que las mirillas de inspección fuguen, que se dañe la estructura de la caldera y existe el peligro de que se llene excesivamente la caldera parada.
Para evitar esto, se requiere un rompedor de vacío en el cuerpo de la caldera. Puede verse un rompedor de vacío en la Figura 29.
Líneas de suministro.
La capacidad de las calderas pirotubulares es de aproximadamente 27 000 kg/h de vapor. Cuando se requieren cargas superiores a estas, se conectan en paralelo dos o más calderas. No es raro una instalación de cuatro o más calderas. El diseño de la línea de suministro de vapor es muy importante.
La figura 30 nos muestra un método común de conectar cuatro calderas, un método que frecuentemente causa problemas.
Refiriéndose a la Figura 30, con todas las calderas trabajando a la misma presión, la presión en el punto A tiene que ser inferior a la del punto B para que el vapor pueda fluir de la caldera número 3. Por consiguiente, debe haber una diferencia de presión mayor entre la caldera número 4 y el punto A que entre la caldera número 3 y la misma posición.
El flujo depende de la caída de presión, por tanto la caldera número 4 descargará más vapor que la caldera número 3.
Igualmente, la caldera número 3 descargará más que la número 2 y así sucesivamente. El efecto neto es que, si la caldera número 1 está a plena carga, las otras calderas se van sobrecargando progresivamente, el efecto empeora cerca del final.
Se puede demostrar que si la caldera número 1 está a plena carga, la número 2 tendrá una sobrecarga de alrededor de un 1%, la número 3 de alrededor de un 6%, y la número 4 de alrededor de un 15%. Aunque las calderas pirotubulares pueden cubrir con condiciones de sobrecarga ocasionales de un 5%, una sobrecarga de un 15% sería muy indeseable. El aumento de la velocidad de la salida de vapor de la caldera crea una superficie de agua sumamente volátil y puede hacer que falle el sistema del control de nivel.
Con cargas altas, en este ejemplo, la caldera número 4 se bloquearía haciendo el sistema más inestable y las tres calderas restantes acabarían teniendo el mismo destino.
La observación principal es que la línea de suministro no permite que las calderas compartan la carga equitativamente.
Uno de los objetivos de la línea de suministro de vapor es igualar la caída de presión de las calderas conectadas para que esté dentro de 0,1 bar. Así se minimizarían los arrastres y se evitará la sobrecarga y los bloqueos de las calderas.
La disposición de la Figura 31 nos muestra un diseño mejorado de una línea de suministro.
La línea de suministro descargará desde el centro, en vez de por un extremo. De esta manera, ninguna caldera se sobrecargará más de un 1% por línea de suministro, siempre que la línea de suministro esté correctamente dimensionada.
En la Figura 32 se muestra una disposición óptima para la instalación de cuatro o más calderas, con la carga de cada caldera distribuida equitativamente. Este sistema satisface mejor a las calderas de cargas altas con controles secuenciales que frecuentemente tienen una o más parada.
Se hace énfasis en que la línea de suministro diseñada correctamente ahorrará muchos problemas y futuros gastos.
El diseño correcto de la línea de distribución en aplicaciones con varias calderas siempre nos proporcionará una instalación equilibrada.
Salida de vapor.
Habiendo considerado la disposición general de la línea de suministro de vapor, hay que asegurar las siguientes condiciones:
Se suministra vapor seco a la planta.
El calentamiento está controlado.
Una caldera no puede presurizar a otra.
Una distribución de vapor correcta para la planta.
Arrastres.
Cuando una caldera bien diseñada genera vapor bajo condiciones de carga estables, el porcentaje de sequedad del vapor será alto, aproximadamente entre 96% y 99%. Los cambios en la carga que ocurren más rápidamente de lo que puede responder la caldera, afectarán adversamente a este porcentaje de sequedad. La inevitable pérdida ocasional de control de TDS del agua de la caldera o la contaminación del agua de alimentación de la caldera, producirá que descargue vapor húmedo desde la caldera.
Hay varios problemas asociados con esto:
Agua en un sistema de vapor puede producir los peligrosos golpes de ariete.
El agua en el vapor no contiene la entalpía de evaporación para la que se ha diseñado la planta, si se transporta a la planta será ineficaz y puede impedir que se logre el proceso.
Los arrastres de agua en el vapor de la caldera contendrán inevitablemente sólidos disueltos, junto con los sólidos suspendidos que pueden contaminar los controles, superficies de transferencia de calor, purgadores y el producto.
Por estas razones, se recomienda que se instale un separador cerca de la caldera. Los separadores trabajan produciendo dentro del cuerpo cambios repentinos de dirección del vapor húmedo.
Esto hace que las partículas de agua más densas se separen del vapor y caerán por gravedad al fondo del cuerpo, donde se acumularán y se desalojarán por medio de un purgador.
Calentamiento.
Es esencial que cuando una caldera se pone en marcha se haga de una manera lenta segura y controlada, para evitar:
Golpes de ariete. Grandes cantidades de condensado que están dentro de la tubería y se empujan a lo largo de la tubería a velocidades de vapor y producen daños cuando el agua choca con una obstrucción en la tubería, como una válvula de control.
Shock térmico. Las tuberías se calientan tan rápidamente que la expansión no se puede controlar, causando tensiones en las tuberías y provocando grandes movimientos en los apoyos de las tuberías.
Arrastres. Una reducción repentina de presión en la caldera puede producir arrastres de agua de la caldera a las tuberías. Esto no sólo es perjudicial para el funcionamiento de la planta, la caldera puede bloquearse y tardará algún tiempo en poner la caldera en estado operativo. El agua arrastrada también provocará golpes de ariete en las tuberías.
El periodo de calentamiento para cada planta será diferente y dependerá de factores como presión, tamaño de la caldera, la longitud de las tuberías etc. Una caldera pequeña de baja presión en una planta compacta como una lavandería, por ejemplo, podría alcanzar la presión de trabajo en menos de 15 minutos. Un complejo industrial grande puede tardar muchas horas.
El primer punto de una puesta en marcha segura para una caldera pequeña debe ser abrir lentamente la válvula de salida de vapor.
En las plantas más grandes, sin embargo, la velocidad de calentamiento es difícil de controlar usando la válvula de salida de vapor. Esto es porque la válvula de salida de vapor está diseñada para proporcionar un buen aislamiento, tiene un asiento plano que significa que toda la fuerza ejercida al girar el volante actúan directamente en el asiento y aseguran un buen cierre.
También significa que la válvula es del tipo todo-nada y pasará el 80% de su capacidad aproximadamente en el primer 10% de su movimiento.
Por esta razón conviene instalar una válvula de control después de la válvula de salida de vapor. Una válvula de control tiene un obturador perfilado que significa que la relación entre el aumento en el flujo y movimiento del obturador no es tan fuerte. Por consiguiente el caudal, y la
velocidad de calentamiento, puede controlarse mejor. En la Figura 33 se muestra un ejemplo de una válvula de control instalada después de la válvula de salida de vapor de una caldera.
Una disposición típica para el calentamiento puede con una válvula de control que esté cerrada hasta que se requiera vapor. En ese momento la válvula de control abrirá lentamente con un sistema temporizado, durante un periodo de tiempo predeterminado. Esta disposición también
tiene la ventaja de que no requiere mano de obra durante el periodo de calentamiento de caldera, que podría ser durante las primeras horas de la mañana. Este tema lo cubre en el Reino Unido la normativa PM5 de HSE.
Para las plantas más grandes, una válvula control del tamaño de la línea seguiría siendo aún demasiado brusca para dar el calentamiento requerido. En estas circunstancias podría usarse una válvula de control pequeña en un lazo alrededor de una válvula de aislamiento.
Esto tiene la ventaja que donde se usan válvulas en paralelo, que la presión puede igualarse a ambos lados de la válvula antes de abrir.
Cuando dos o más calderas están conectadas a una línea de suministro, se debe prever que cada caldera pueda aislarse de la línea de suministro.
Esto asegurará que no haya retorno de vapor de la línea de suministro, por ejemplo, cuando una caldera esta parada para su reparación o inspección. En estas circunstancias siempre se debe usar la válvula de salida de vapor para realizar aislamiento y es un requisito de la normativa BS 2790 (8.8.3). A veces es preferible instalar otra válvula de aislamiento en la línea de vapor de caldera para proporcionar un aislamiento de doble seguridad. Bajo ninguna circunstancia puede usarse una válvula de retención para proporcionar un aislamiento total garantizado. Sin embargo, una válvula de retención aparte es útil para prevenir el flujo de retorno de vapor durante el uso normal entre las calderas que están trabajando y las que están en stand-by.
Las válvulas de retención de clapeta no son convenientes para este propósito, ya que los cambios pequeños de presión de la caldera pueden hacer que oscilen y colocando la carga alternativamente de una caldera o la otra. Esto puede, bajo las condiciones severas causar unas sobrecargas cíclicas en las calderas.
Muchos de los casos de inestabilidad en instalaciones de varias calderas se causan por esta razón. Las válvulas de salida de vapor con válvulas de retención integrales son una opción mejor considerando este fenómeno. Alternativamente, las válvulas de retención de disco cargadas por resorte proporcionan un efecto amortiguador que reduce el problema (Figura 34).
La norma BS 2790 dice que una válvula de retención debe instalarse en esta línea junto con la válvula de salida de vapor, o la válvula de salida de vapor debe incorporar una válvula de retención integral.
Asegurar una correcta entrega de vapor.
El primer punto de cualquier sistema de distribución es la sala de calderas, donde, a menudo, conviene que las líneas de vapor de la caldera converjan en un manifold que normalmente se le llama colector distribuidor. El tamaño del colector distribuidor dependerá del número y tamaño de las calderas y el diseño del sistema de la distribución. Probablemente en una planta grande, lo más factible es la distribución del vapor a alta presión por una línea principal alrededor de la planta. Es preferible la distribución a alta presión ya que requiere tamaños de tubería reducidos para las altas capacidades y velocidades. También se reducen las pérdidas de calor y los problemas logísticos gracias a los diámetros reducidos.
La distribución de esta manera permite conectar los suministros de vapor de la línea principal a los puntos convenientes, directo a los usuarios de alta presión o por una estación reductora de
presión a colector que proporcionan vapor a los usuarios locales a presión reducida. En plantas más pequeñas es más conveniente la distribución por líneas individuales. De cualquier modo, un colector distribuidor de vapor en la sala de calderas proporciona un útil punto de comienzo centralizado. Permite un punto de compensación entre las calderas y el sistema donde las calderas conectadas pueden compartir la carga del sistema equitativamente.
Presión de trabajo. La línea de suministro debe diseñarse según la presión de trabajo de la caldera y cumplir con las normas de Sistemas a Presión. Recuerde que las normas de bridas están basadas en la temperatura y la presión, es decir, la presión aceptable se reduce según aumenta la temperatura. Por ejemplo: un rango de PN16 son 16 bar a 120°C, pero sólo es adecuado para vapor saturado a 13 bar.
Diámetro. El diámetro debe igualar una velocidad de vapor no superior a 15 m/s bajo las condiciones plenas de carga. La velocidad baja es importante ya que ayuda a que caiga la humedad arrastrada.
Salida de vapor. Éstas siempre deben partir de la parte superior del colector de distribución. Así se asegura que sólo saldrá el vapor seco. La gravedad y la velocidad baja asegurarán que el condensado caiga al fondo colector.
Purga de vapor. Es importante que se desaloje el condensado del colector tan pronto como se forme. Por esta razón un purgador mecánico, por ej. un purgador de boya será la mejor opción. El purgador debe posicionarse para que pueda drenar por gravedad.
Esto asegurará que se ha drenado el colector en la puesta en marcha cuando la proporción condensación es máxima y la presión es mínima.
En la guía de referencia técnica "Purga de vapor y eliminación de aire" puede encontrarse más sobre este tema.
Esta guía de referencia técnica se ha diseñado para dar a ingenieros o gerentes de energía, una introducción en el tema de calderas, los accesorios de las calderas y las salidas de vapor.
Es imposible cubrir todos los aspectos de este tema en esta guía, ya que casi cada instalación es única. Cuando pueden elegir entre varias opciones alternativas, no siempre está claro cual
será la solución óptima.
Hemos intentado cubrir las alternativas más comunes, pero puede ser que no hayamos mencionado todas las opciones disponibles en una parte determinada de una instalación. En tales casos, el equipo de ingenieros encargado de la instalación en específico podrá ponerse en contacto con empresas dedicadas a este tema como por ejemplo Spirax Sarco, sus especialistas estarán encantados aconsejarles por teléfono, fax o por correo desde la oficina central.
Spirax-Sarco Limited, Charlton House,
Cheltenham, Gloucestershire, GL53 8ER UK.
Internet: www.spirax-sarco.com
© Copyright 1999 Spirax Sarco is a registered trademark of Spirax-Sarco Limited
Autor:
MSc. Javier Fernández Rey
La Habana, Cuba, 2015
| Página siguiente |