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1.1 GENERACIÓN DE VAPOR.
DEFINICIONES
- Generador de vapor: es el conjunto o sistema formado por una caldera y sus equipos complementarios, destinados a transformar agua de estado líquido en estado gaseoso a temperaturas y presiones diferentes de la atmosférica.
- Caldera de vapor: recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción de calor.
OBJETIVOS
Las calderas o generadores de vapor son equipos cuyo objetivo es:
- Generar agua caliente para calefacción y uso general.
- Generar vapor para industrias.
- Accionar turbinas de equipos mecánicos.
- Suministrar calor para procesos industriales.
- Producción de energía eléctrica mediante turbinas a vapor.
La generación de vapor de agua se produce mediante la transferencia de calor del proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera hacia el agua, elevando de esta manera su temperatura, presión y convirtiéndola en vapor.
1.1.1 TIPOS DE CALDERAS.
Existen varias formas de clasificación de caldera, entre estas se puede señalar las siguientes:
Según su movilidad:
- Fija o estacionaria.
- Móvil o portátil.
Según la presión de trabajo:
- Baja presión. 0 a 2,5 kg/cm^2
- Media presión. 2,5 a 10 kg/cm^2
- Alta presión. 10 a 220 kg/cm^2
- Supercríticas. más de 200 kg/cm^2
Según su generación:
- De agua caliente.
- De vapor saturado o recalentado.
Según el ingreso de agua a la caldera:
- Circulación natural: el agua se mueve por efecto térmico.
- Circulación forzada: el agua circular mediante el impulso de una bomba.
Según la circulación del agua y de los gases en la zona de tubos:
- Pirotubulares o de tubos de humo.
- Acuotubulares o de tubos de agua.^1
(^1) Ref. 1.
Características:
- Sencillez en su construcción.
- Facilidad en su inspección, reparación y limpieza.
- Gran peso.
- La puesta en marcha es lenta.
- Gran peligro en caso de explosión o ruptura.^1
CALDERAS ACUOTUBULARES O DE TUBOS DE AGUA.
En estas calderas el agua está dentro de los tubos ubicados longitudinalmente en el interior y se emplean para aumentar la superficie de calefacción, los mismos están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja.
La llama se forma en un recinto de paredes tubulares que configuran la cámara de combustión. Soporta mayores presiones, pero es más cara, tiene problemas de suciedad en el lado del agua, y menor inercia térmica.
Las calderas acuotubulares eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor.
Características:
- La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones, dependiendo del diseño llegan hasta 350 psig.
- Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2000 HP.
- Por su fabricación de tubos de agua es una caldera inexplosible.
- La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.
(^1) Ref. 1.
- El tiempo de arranque para la producción de vapor a su presión de trabajo es mínimo.
- El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento.^1
Figura 1.2 Calderas acuotubulares.
1.1.2 SISTEMAS COMPLEMENTARIOS DE AGUA Y COMBUSTIBLE
Estos sistemas son muy importantes ya que tanto el agua como el combustible líquido requieren un tratamiento especial antes de ingresar a la caldera, esto se lo realiza con el fin de aumentar la eficiencia y alargar la vida útil de la misma.
(^1) Ref. 1.
- Red de abastecimiento (circuitos abiertos).
- Bombas impulsoras.
- Por termosifón (diferencia de densidades del agua caliente y fría).
Hay que considerar que el agua viene con impurezas sólidas e impurezas diluidas como es el caso de sales y minerales que le da la característica de dureza al agua y son perjudiciales ya que estas sales producen las denominadas incrustaciones en el interior de la caldera o en las mismas tuberías y las corroen disminuyendo su vida útil.
Debido a esto se debe hacer un tratamiento del agua antes que ingrese a la caldera, cabe destacar que no existe ningún procedimiento simplista ni producto químico apropiado para el tratamiento de todas las clases de aguas. Cada caso se debe considerar individualmente, los tratamientos más conocidos son los siguientes: filtrado, separación de lodos, calentamiento, vaporización o destilación, desaireación, tratamiento con cal apagada, tratamiento con carbonato sódico, tratamiento con hidróxidos cálcico, con fosfato trisódico y coagulantes.^1
1.2 PLANTA FERRERO DEL ECUADOR
FERRERO llega al Ecuador en 1975 y establece una pequeña oficina comercial que luego se convirtió en una pequeña fábrica, en el año 1993 da un gran salto y construye una fábrica totalmente equipada para la producción de TIC TAC, FERRERO NOGGY, FERRERO ROCHER, y HANUTA.
FERRERO siempre se a caracterizado por su calidad e innovación de productos esta exitosa fórmula le a permitido convertirse en una empresa líder en lo que se refiere a confitería.
(^1) Ref. 1.
La planta de FERRERO se divide en tres grandes zonas:
- Área Tic Tac.
- Área Chocolates.
- Plásticos.
En cada una de estas áreas existen procesos en los cuales se requiere una gran demanda de vapor y serán descritos a continuación.
1.2.1 ÁREA TIC TAC.
Bassinas: Se tiene un sistema para calentar el aire proveniente del accionador de la bassinas, el objetivo es hacer circular aire alrededor de un serpentín por cuyo interior circula vapor, este aire caliente ingresa a las bassinas y entra en contacto con el producto.
Granuladora Lodige y Ciberc: Tiene el mismo sistema de calentamiento de aire que el de las bassinas, este aire caliente se utiliza para hacer un secado del producto.
Tanque de agua caliente: El agua es precalentada por un serpentín en cuyo interior circula vapor, es utilizada para la limpieza de las máquinas y del área en general.
1.2.2 ÁREA CHOCOLATES.
Tanques de almacenamiento: Existen seis tanques de almacenamiento de
chocolate que son calentados por circulación de agua a 60 O^ C el proceso de calentamiento del agua lo hace un equipo que utiliza el vapor como medio de calentamiento.
No DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS (^1) MARCA KEWANEE KEWANEE KEWANEE (^2) TIPO DE CALDERO PIROTUBULAR PIROTUBULAR PIROTUBULAR 3 POTENCIA, [BHP] a NIVEL DEL MAR 100 100 250 4 POTENCIA EST., [BHP] a NIVEL DETUMBACO 80 80 200
5 VAPOR GENERADO, [lb/h],NOMINAL 3.450 3.450 8.
6 CONSUMO DE COMBUSTIBLE,BUNKER C, GPH 27,9 27,9 64. 7 SUPERFICIE DE CALENTAMIENTO,[PIES2/BHP] 5 5 5
Tabla 1.1 Características generales de las calderas.
Para suplir la demanda de vapor que actualmente requiere la planta se tiene un modo de funcionamiento que es el siguiente, lo dos calderas de 100 BHP cada uno trabajan conjuntamente absorbiendo toda la carga mientras que el tercero permanece apagado, al encender el tercer caldero este puede suplir los requerimientos de la planta sin la necesidad que los dos de menor potencia estén encendidos.
La presión promedio de operación es de 100 [PSIG], pero la de diseño es de 150 [PSIG] de cada una de las calderas.
En el anexo 1.2 se encuentra dibujado el área de plásticos que contienen los sistemas de generación de aire comprimido y de generación de vapor.
1.3.1 EQUIPOS COMPLEMENTARIOS DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE
VAPOR.
El sistema de Generación de vapor incluye los siguientes equipos y su P&ID se encuentra dibujado en el anexo 1.1.
Sistema de ablandamiento de agua para abastecimiento de las calderas. Tanque de condensado. Tanque de combustible para consumo diario. Bombas de alimentación de agua. Bombas de suministro de combustible. Sistema de aire para atomización.
1.3.1.1 Sistema de ablandamiento de agua
El agua de lluvia al caer puede absorber oxigeno, C0², nitrógeno, polvo y otras impurezas contenidas en el aire y también disolver substancias minerales de la tierra. Esta contaminación puede acrecentarse además con ácidos procedentes de la descomposición de materias orgánicas, residuos industriales y aguas sépticas descargadas en lagos y ríos.
Los fines principales perseguidos con el tratamiento del agua de alimentación son los siguientes:
1.- Quitar las materias solubles y en suspensión. 2.- Eliminación de los gases. 3.- Reducir los niveles de “dureza” de minerales, calcio y cal. 4.- Evitar la formación de incrustaciones sobre las superficies de calentamiento del agua. 5.- Proteger contra la corrosión los metales de las calderas, recuperadores y tuberías.
El sistema de generación de vapor en la planta FERRERO cuenta con un equipo de ablandamiento de aguas para el abastecimiento a las calderas, el tratamiento que se da consiste en filtrar el agua para después tratarla químicamente con lo cual disminuimos su dureza^1.
(^1) Ref. 1.
1.3.1.3 Sistema de aire para atomización.
Pese a que cada caldera tiene su propio sistema de generación de aire de atomización formado por un compresor este no se lo utiliza ya que el aire requerido se lo toma del sistema de aire comprimido lo cual ayuda a un ahorro de energía eléctrica.
En el anexo 1.3 se encuentra el diagrama de tuberías, de bunker, de agua y aire comprimido para cada caldera.
1.3.2 CALDERAS KEWANEE DE FERRERO DEL ECUADOR
Desde 1920 Kewanee Boiler Company fue la constructora de calderas pirotubulares más grande en el mundo y en la actualidad es sinónimo de calidad y seguridad.
Los diferentes sensores incluidos en su construcción permiten una operación continua y segura para el operario y a sus alrededores.
A continuación describiremos las partes constitutivas y las características de las calderas que fueron automatizadas en el desarrollo de este proyecto.
1.3.2.1 Especificaciones de la caldera Kewanee
Descripción de las partes constitutivas de la caldera KEWANEE.
Figura 1.4 Caldera Kewanee
1.3.2.2 Partes
1.- La base de la caldera esta hecha de acero y tiene rodillos que facilita su traslado y ayuda a la distribución equilibrada de peso. 2.- El quemador fue montado en una pestaña de la base lo cual la hace compacta. 3.- Consta de un tablero que en la actualidad contiene las borneras en donde se distribuyen tanto las señales de los sensores de campo ubicados en las calderas como las señales de salidas y entradas del PLC y los voltajes de alimentación (110v, 24 vdc). 4.- Kewanee tiene un quemador de fuel oil #6 (bunker) y este fue construido para que funcione de la manera más óptima en conjunto con la caldera.
14.- Los humos residuales que queda se dirige hacia la parte de atrás para su fácil evacuación por medio de una compuerta rectangular que los llevan hacia la chimenea. 15.- La caldera es de tres pasos en cada una existen paquetes de tubos y cada paso esta separado por láminas para evitar tensiones peligrosas.
Figura 1.6 Pasos de la Caldera
16.- El agua que en su mayoría se aloja en la parte trasera de la caldera permite el mayor intercambio de calor aumentando la eficiencia de la misma. 17.- Tiene una puerta trasera totalmente refractaria.^1
1.3.2.3 Data sheet Kewanee.^2
CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCIÓN DE LAS CALDERAS
Caldera 3 Caldera 2 Caldera 1 Presión máxima de trabajo permitida
150 psig ( kPA)
150 psig ( kPA)
150 psig ( kPA)
Presión de prueba hidrostática
225 psig ( 1551kPA)
225 psig ( 1551kPA)
225 psig ( 1551kPA)
(^1) Ref. 1.6 página 2, 5 (^2) Ref. 1.7 páginas 1, 2, 3, 4
Aislamiento puerta delantera
1.5 ” de espejo pyrolite
1.5 ” de espejo pyrolite
1.5 ” de espejo pyrolite
Empaquetadura de puerta delantera
1” de diámetro de empaquetadura de fibra cerámica
1” de diámetro de empaquetadura de fibra cerámica
1” de diámetro de empaquetadura de fibra cerámica Aislamiento de puerta trasera
No requerida No requerida No requerida
Empaquetadura de puerta trasera
0.5” de diámetro de empaquetadura de fibra cerámica
0.5” de diámetro de empaquetadura de fibra cerámica
0.5” de diámetro de empaquetadura de fibra cerámica Aislamiento exterior
2.0” de manta de fibra mineral
2.0” de manta de fibra mineral
2.0” de manta de fibra mineral Chaqueta de aislamiento
22 chaquetas de acero
22 chaquetas de acero
22 chaquetas de acero Capa protectora exterior
Esmalte azul Esmalte azul Esmalte azul
Tabla 1.2 Características de las calderas
PESO Y VOLUMEN DE LA CALDERA # Caldera 3 Peso sin agua aproximado 16.600 lbs. Peso con agua aproximado 28.672 lbs. Espacio para vapor ,con nivel normal de agua
34.9 (cu ft.) (pies cúbicos)
Cantidad de agua en el nivel normal 1.188 galones Cantidad de agua con la caldera inundada 1.448 galones
Tabla 1.3 Peso y volumen de la caldera #3.
(bunker) (bunker) (bunker) Poder calorífico del combustible
Btu/galón
Btu/galón
Btu/galón Máximo rango de salida del combustible por la boquilla inyectora
64.4 gal /hr (galones por hora)
Potencia del motor de ventilador 10 HP^ 10 HP^ 10 HP Potencia del motor de la bomba de combustible #
½ HP No existen No existen
Potencia del motor de la bomba de combustible #
¼ HP ½ HP ½ HP
Potencia del motor de aire de compresión
10 HP 5 HP 5 HP
Calentador eléctrico del combustible 6.0 Kw^ 6.0 Kw^ 6.0 Kw SENSORES DE NIVEL DE AGUA, INDICADORES, ALARMAS Y CONTROLADORES Caldera 3 Caldera 2 Caldera 1 Localización del visualizador de la columna de agua
Situado a la derecha de la caldera
Situado a la derecha de la caldera
Situado a la derecha de la caldera
Válvula de desfogue de la columna de agua
Válvula de compuerta, diámetro 1”, hecha de bronce
Tipo de control de nivel de agua
Control ON-OFF de la bomba de alimentación de agua
Control ON-OFF de la bomba de alimentación de agua
Control ON-OFF de la bomba de alimentación de agua Mando sobre el control del nivel de agua
Switch de control de la bomba en dispositivo 157S
Switch de control de la bomba en dispositivo 157S
Switch de control de la bomba en dispositivo 157S 1er switch de corte por bajo nivel de agua
Switch de alarma en dispositivo 157S
Switch de alarma en dispositivo 157S
Switch de alarma en dispositivo 157S 2do control de corte por bajo nivel de agua con reset manual
Dispositivo M&M 750-MT-120 y sensor de nivel remoto RS-1-BR- 1
Dispositivo M&M 750-MT-120 y sensor de nivel remoto RS-1-BR- 1
Dispositivo M&M 750-MT-120 y sensor de nivel remoto RS-1-BR- 1 Localización del 2do control de corte por bajo nivel de agua con reset manual
Situado a la derecha de la caldera
Situado a la derecha de la caldera
Situado a la derecha de la caldera
Indicador de vidrio de nivel de agua
Ubicado en dispositivo 157S indicador de vidrio de 5/8” de diámetro
Ubicado en dispositivo 157S indicador de vidrio
Ubicado en dispositivo 157S indicador de vidrio
Tabla 1.4 Sensores y controladores de agua en las calderas.
