Manual 2 - Sistema de Seguridad en Calderas

DIA 2

3. CONTROL DE NIVEL DE AGUA Se denomina control de nivel de agua de una caldera o calentador al sistema de seguridad capaz de desconectar el elemento calefactor del equipo, ante la presencia de un bajo nivel de agua. Debemos mencionar que el control de nivel de agua tiene una doble función: Controlar de forma automática la reposición de agua a la caldera, y asimismo permitir el trabajo continuo de la caldera, desconectándose solamente en el caso de presentarse una baja de nivel. Es decir, cuando empezamos a generar vapor en una caldera, este vapor que se consume, es necesario reponerlo en forma de agua a través de un sistema de alimentación, generalmente una bomba de agua, de tal forma que se empieza a trabajar en un sistema alternado, cuando baja el nivel de agua, prende la bomba, y sucesivamente, pero si por alguna razón el nivel de agua baja mas de lo necesario de acuerdo a la calibración inicial del control de nivel, deberá funcionar el sistema de seguridad desconectando todo el sistema eléctrico, y en consecuencia el quemador del equipo, con la seguridad de evitar un posible siniestro. Si el nivel de agua interno cae demasiado, la caldera se puede quemar. También aquí se debe estar siempre en guardia. Una caldera de vapor necesita agua para refrescar las superficies de metal. Sin un nivel correcto de agua el calor se acumula rápidamente. Demasiado calor crea una condición de funcionamiento muy peligrosa.

¿Que puede motivar un bajo nivel de agua? En un sistema abierto de vapor, es normal una cierta pérdida de agua por evaporación. Cuán grande es esta pérdida depende del tamaño y condición del sistema. Sin embargo, cuando la pérdida de agua es mucha, llegó el momento de comenzar a localizar averías. Hay muchos lugares donde buscar, a continuación una lista de ellos:     

Salidas de aire sucias, no asentadas correctamente, y con fugas de vapor a la atmósfera. Válvula de purga de la caldera parcialmente abierta. Alguien, por cualquier razón, ha estado extrayendo agua caliente de la caldera. La válvula de alivio ha descargado. La bomba de condensados no funciona como debe.

 El flotador puede haberse aflojado.  Condensado demasiado caliente para ser bombeado.(Compruebe las trampas de vapor).    

Arreglo de tubería incorrecto cerca de la caldera puede lanzar agua al sistema o causar inclinación de la línea de agua durante la operación. Escape del agua de retorno (sospeche siempre de cualquier tubería enterrada). Válvula de retención pegada o parcialmente pegada. La caldera hace espuma o el vapor arrastra agua.  Compruebe el PH. Debe estar entre 7 y 9.  Compruebe el estado del agua. El agua sucia puede hacer espuma o ser arrastrada.  Compruebe el quemador. Una llama exagerada puede provocar arrastre de agua.

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Tuberías con pendiente incorrecta. Alimentador automático no trabaja correctamente.  Cámara con sedimentos.  Línea de alimentación obstruida.

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No todo el condensado retorna del sistema (problema común en procesos). Metal de la caldera corroído y con escape en la línea de agua.  Llene la caldera hasta el tope para comprobar si hay escapes.

Los buenos reparadores dedican tiempo a observar el sistema completo antes de decidir qué está incorrecto. Investigar cuidadosamente, con calma, llevará a la solución del problema. Debemos mencionar que anteriormente, cuando teníamos una caldera de operación manual se utilizaban los inyectores de agua, que eran elementos que abastecían de agua a la caldera a través de un mecanismo de vacío que funcionaba con la misma presión de vapor del caldero, ya no es usual ver instalados en equipos térmicos estos elementos. Todas las autoridades y las principales compañías de seguros reconocen esta necesidad. La norma ASME para calderas de calefacción a baja presión, por ejemplo, especifica: “cada caldera de vapor debe estar equipada con un sistema automático de control de corte de combustible por bajo nivel de agua”. El dispositivo a que la norma se refiere se conoce como “control de bajo nivel de agua”, y su función es apagar el quemador para proteger la caldera.

A continuación se aprecia una grafica del grave daño que puede producir en la caldera una falla por bajo nivel de agua

Los sistemas de control de nivel mas utilizados en nuestro medio son:

a. Control de bajo nivel de agua operado por flotador Este tipo de dispositivo se ha estado utilizando desde los años veinte, y ha ganado la reputación de confiable en todo el mundo. Generalmente se monta directo en las tomas del indicador de nivel de agua. El nivel del agua en la cámara del control de bajo nivel de agua mimetiza el nivel del agua en la caldera. Como el nivel del agua disminuye en la caldera al producirse vapor, el nivel y el flotador en el dispositivo también caen. Si el flotador desciende por debajo del nivel crítico del nivel de agua, dispara un interruptor eléctrico conectado en serie con el quemador. El quemador se apaga inmediatamente y permanecerá apagado hasta que el nivel del agua aumente hasta un punto de funcionamiento seguro Dentro de los controles más utilizados, encontramos los flotadores Mc Donnell & Miller, de procedencia americana, a continuación describimos los modelos más comerciales y de mayor uso en nuestro mercado: MODELO 150 Y 157 M Son controles de nivel del tipo flotador en el que sus elementos que realizan el contacto eléctrico, son de mercurio y son recomendadas para presiones de hasta 150 Psi.

La diferencia entre los modelos 150 y 157, es el tamaño, por el contrario el flotador, la caja de contactos y los contactos de mercurio son los mismos. En el modelo 150 conocido como “columna de bola” debemos agregar a través de niples y conexiones la instalación de las válvulas de nivel de agua, en las que se instala el tubo visor de la caldera, el tubo visor es el que refleja el nivel interno de agua, por tanto su instalación correcta es de altísima importancia.

En los modelos 157 tenemos la ventaja que en el cuerpo de la columna ya tenemos preparados los puntos de instalación para las válvulas de nivel de y el tubo visor.

Como se aprecia en la grafica, vemos dos ampollas de mercurio, una de dos terminales que conforma un contacto normalmente cerrado, (NC) que es la que controla la operación automática de la bomba y otra de tres terminales que conforma un contacto de conmutación, con un contacto normalmente cerrado y otro abierto que es la que controla el sistema de seguridad y alarma .en el caso de un bajo nivel de agua.

MODELO 150 Y 157 S En un afán de constante innovación y proponiendo alternativas ecológicas, los fabricantes de controles de nivel del tipo flotador han querido reemplazar las ampollas de mercurio por elementos que realicen el contacto eléctrico, del tipo microswicht o micro interruptores de oxido-cadmio, recomendadas también para presiones de hasta 150 Psi. La acción de los contactos eléctricos es idéntica a la del modelo 150 y 157M, pero en estos modelos se han reemplazado las ampollas de mercurio por micro interruptores para realizar las acciones de operación de bomba de agua y seguridad en caso de bajo nivel. La operación de los contactos en ambos casos esta descrita en el siguiente cuadro.

Los dos tipos de control por flotador también son disponibles en modelos con reset, es decir, después de producirse una condición de bajo nivel de agua quedan bloqueados hasta que el operador de la caldera determine la falla y accione el reset para reactivar todo el sistema. Debemos hacer mención que los modelos anteriores de acuerdo a lo descrito se utilizan solamente hasta presiones de 150 Psi, pero también tenemos disponibles modelos hasta presiones de hasta 250 Psi, el principio de funcionamiento es el mismo, pero el cuerpo de la columna es mas robusto, el material del fuelle es mas resistente y el tipo de contactos también tiene diferencia con los modelos 150, en la siguiente grafica se muestra un modelo de la serie 194 para presiones de hasta 250 Psi.

Es importante la instalación de una válvula de purga en los controles de nivel del tipo flotador, para evitar sedimentos que puedan impedir el libre desplazamiento de la boya interna de operación.

Actualmente Disponemos en el mercado nacional de un control recientemente lanzado por la Mc Donnell & Miller, se trata de una columna y control de nivel pero con control de electrodos, tal como se aprecia en la grafica en este modelo ya no se trabaja con contactos eléctricos, por el contrario con una tarjeta electrónica y relés de contactos para la operación automática de la bomba de agua y seguridad de corte por bajo nivel de agua. El modelo de esta columna es 150 y 157E.

b. Control de nivel de agua del tipo electrodo y relé (Warrick) Son controles electromecánicos o electrónicos que se utilizan como sistema auxiliar para el caso de una posible falla del control de flotador, es decir la detección del bajo nivel de este control, esta por debajo del control principal por flotador. Con esta afirmación no queremos decir que este tipo de controles solamente pueden trabajar como controles auxiliares, también pueden trabajar como controles principales, incluso realizando las dos funciones: de control automático de la bomba de agua y de seguridad; debido a que dentro de sus características esta la confiabilidad del control y su bajo mantenimiento. Es decisión del fabricante de calderas la elección de su control de nivel de agua que va a ser utilizado como principal y/o auxiliar, algunas calderas tienen doble control por

flotador, o una combinación de flotador como control principal y de electrodos como control secundario, ambos sistemas ofrecen seguridad y confiabilidad. Este tipo de controles basan su funcionamiento y son activados por conductividad, tienen una bobina primaria que es permanentemente alimentada de la tensión de red y un transformador que cambia el voltaje en la bobina secundaria, esta bobina secundaria, conectada en uno de sus puntos en un electrodo y en el otro punto a la carcaza de tierra, en la siguiente grafica, apreciamos el circuito interno del rele.

Por tanto, cuando el liquido conductivo hace contacto con un electrodo que esta aislado en un extremo y en contacto con el líquido en el otro extremo, y un punto de la bobina secundaria a la carcasa metálica del recipiente para cerrar el circuito, el cual acciona una bobina interna, la misma que a su vez activa un juego de contactos eléctricos, normalmente abiertos y cerrados para utilizarlos de acuerdo a nuestra necesidad.

El voltaje de la bobina secundaria del transformador del rele esta directamente relacionado con la sensibilidad del líquido que estamos controlando y la distancia permitida hasta el electrodo para que el sistema trabaje normalmente. A continuación se anexa una grafica para la selección del control por electrodos de acuerdo a nuestras necesidades:

SELECCIÓN DE BOMBAS DE AGUA

Para la selección de las bombas de alimentación de agua a la caldera , deberemos considerar las siguientes pautas: 1. Temperatura de operación .-La mayoría de bombas para calderas vienen preparadas para trabajar con temperaturas de hasta 225°F (107 °C), sin embargo ,se deberá realizar la consulta con el representante ,o consultar la ficha técnica de las bombas 2. Presión de operación .- De acuerdo a nuestra presión de operación de la caldera .Es un dato que también consigna las hojas técnicas emitidas por los fabricantes . 3. Caudal necesario .- en este punto , se hace necesario realizar el calculo del caudal de evaporación de nuestra caldera , el cual está definido por la siguiente formula. Q

Potx34.5 250

Donde: Q :

Caudal necesario de la bomba en selección, Gal/min

Pot :

Potencia de la caldera en BHP

Realizaremos el cálculo para una caldera de 100 BHP

Q

100x34.5 250

Q  13.8

Entramos a catalogo bombas BURKS PUMPS (Ver anexos finales para catálogos completos).

La bomba seleccionada es el modelo 330CS7M de 3 H.P. de potencia y 13.3 Gal/min a 119.1 Psi. Con este cálculo ,no queremos direccionar nuestra selección hacia un fabricante en especial , por tanto , realizaremos la misma selección en el cuadro de bombas Aurora

La bomba seleccionada es un modelo I5 ,con motor de 5 H.P. y caudal de 15 gal/min a 280 pies. Para convertir de Psi a pies , multiplicar por factor 2.3113