Apostila - Tipos de Caldeiras e as Variáveis de Controle

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CONTROLE DE GERADORES DE VAPOR
INTRODUÇÃO: A instrumentação e o controle são partes
essenciais de toda instalação geradora de vapor. Eles permitem
garantir uma operação segura, econômica e confiável do
equipamento. Os sistemas de controle empregados vão desde um
simples controle manual até o sofisticado controle das caldeiras de
grande porte, onde são envolvidas dezenas ou, às vezes centenas de
instrumentos.
O sistema de controle de uma caldeira deve ser estruturado de
forma a mantê-la operando com:
· segurança;
· bom rendimento;
· e de forma estável.
Por isso, a escolha e projeto das malhas de controle e do
sistema de segurança a ser utilizado, deverá ser feita mediante um
estudo cuidadoso do sistema.
TIPOS DE CALDEIRAS E AS VARIÁVEIS DE CONTROLE:
todos os tipos de caldeira podem ser controladas, mas dependendo de
suas características, as variáveis de controle serão diferentes.
· Caldeiras a combustão
— Fogotubulares
— Aquatubulares
· Caldeiras Elétricas
— a resistores
— a eletrodos
§ eletrodos jateados
§ eletrodos submersos
Em todas as caldeiras existe a necessidade de controle da
pressão interna de vapor, ou seja a quantidade de vapor que está
sendo produzido; o nível de água no interior da caldeira; e de um
sistema de segurança confiável. Existe também a necessidade de
controle da combustão nas caldeiras com aquecimento químico, e da
eletricidade e condutividade da água nas caldeiras elétricas.
CONTROLE DE CALDEIRAS ELÉTRICAS: A utilização de
caldeiras elétricas é importante para o usuário que pode utilizar
excedentes de energia elétrica a preços subsidiados e ainda, o mais
importante é para o país, já que o Brasil possui recursos hídricos para
geração de energia elétrica e tem escassez de derivados de petróleo.
§ Caldeiras a resistores: As caldeiras elétricas são
constituídas de um vaso de pressão não sujeito a chama e de um
conjunto de resistências elétricas blindadas. Na Fig.1, está mostrado o
esquema básico de uma caldeira elétrica a resistores. Neste tipo de
caldeira utiliza-se um controlador liga-desliga com zona diferencial
(PRC – Pressão com função de registrar e controlar), que controla a
pressão do vapor ligando ou desligando os resistores da caldeira.
Figura 1: Sistema de controle básico de uma caldeira elétrica a resistores
O controle de nível é feito de forma semelhante, uma vez que
neste tipo de equipamento o nível não precisa ser controlado numa
faixa muito estreita. Este tipo de sistema de controle de nível funciona
com dois eletrodos imersos na água e um controlador (LC –
Controlador de Nível), o LC irá abrir ou fechar a válvula de admissão
de água à medida que o nível ultrapassar a zona diferencial
especificada, ou seja, em função da posição dos eletrodos.
§ Caldeiras a eletrodos jateados: Neste tipo de caldeira, a
pressão de vapor é geralmente controlada por um controlador de
pressão(PRC) , um transmissor de pressão (PT) e um
servomecanismo (PZ) que, por sua vez, movimenta verticalmente o
defletor de jatos de água. O movimento do defletor libera ou oculta os
jatos de água que fluem contra os eletrodos. Quanto maior o número
de jatos de água liberados, maior será a circulação de corrente e,
consequentemente, maior a geração de vapor; quanto menor, menor a
circulação de corrente, menor a geração de vapor.
Figura 2:Sistema de controle básico de uma caldeira elétrica a eletrodos jateados
Para limitar o consumo de energia, utiliza-se um limitador de
potência (JY), Este instrumento, recebe o sinal do medidor de corrente
(IT) e compara o valor com o setpoint. Caso o sinal recebido seja
maior que o setpoint, o limitador de potência bloqueia o sinal que o
controlador da pressão (PRC) envia para o servomecanismo ou, se
necessário, reposiciona o servomecanismo de forma a manter a
potência dissipada dentro do limite. Caso o sinal enviado pelo medidor
de corrente (IT) seja menor que o limite, o limitador(JY) não interfere
no sinal do controlador.
Neste tipo de caldeira utiliza-se o controle de nível a um, dois ou
três elementos. A Fig1 mostra o controle de nível a dois elementos,
Nesta malha, os sinais do controlador de nível (LRC) e do
transmissor de vazão do vapor (FT) são enviados ao somador (FY). O
somador recebe os sinais e envia a resultante para a válvula de
controle de nível. Nas condições de equilíbrio, a saída do somador
será função do sinal recebido do transmissor de vazão de vapor (FT),
uma vez que a saída do controlador de nível será zero, enquanto o
nível estiver no valor de setpoint. Caso o nível saia do ponto de ajuste,
a saída do LRC variará e, consequentemente, a saída do somador
passará a ser função dos sinais recebidos do FT e do LCR. Isto
ocorrerá até que o nível volte às condições desejadas.
Nas caldeiras a eletrodos jateados também se utiliza uma malha
de controle de condutividade (inverso da resistividade), pois a
resistividade de água influi no rendimento da caldeira. Neste tipo de
aplicação, a condutividade da água geralmente é controlada de forma
descontínua (controle liga-desliga com zona diferencial). O controlador
de condutividade (CRC) liga a bomba de injeção química quando a
condutividade atinge o limite mínimo ou abre a válvula de dreno
quando a condutividade atinge o limite máximo, de acordo com os
calores ajustados manualmente pelo operador de acordo com o sinal
enviado pelo medidor de condutividade (célula CE e conversor CY).
§ Caldeiras a eletrodos submersos: Nas caldeiras a
eletrodos submersos, a pressão do vapor também será controlada por
um controlador de pressão (PRC), um transmissor (PT) e um
servomecanismo(PZ) montado na parte superior da caldeira. O
controlador recebe os sinal do transmissor, compara este sinal com o
setpoint e atua no servomecanismo (PZ). O servo mecanismo por sua
vez movimenta verticalmente o tubo isolador de porcelana. O
movimento do tubo isolador delimita a quantidade de água na qual
circula corrente elétrica e, consequentemente, regula a quantidade de
vapor gerado, uma vez que o tubo isolador se interpõe entre o eletrodo
e o contra-eletrodo.
Neste tipo de caldeira também se utiliza o limitador de potência
(JY), com funções e modo de operação idênticos descritos
anteriormente.
Na malha de controle de nível utiliza-se o controle a um
elemento, utilizando uma malha comum com realimentação negativa,
que opera com um transmissor (LT) e um controlador (LRC). O
transmissor envia o sinal de nível ao controlador, o controlador
compara este com o ponto de ajuste e envia o sinal de correção para a
válvula de controle que aumenta ou diminui a vazão de água
adicionada à caldeira. Como neste caso está se utilizando uma malha
comum com realimentação negativa, o controlador de nível só corrigirá
a vazão de água de alimentação depois que o nível tiver variado.
Figura 3:Sistema de controle básico de uma caldeira elétrica a eletrodos submersos
§ Caldeiras a combustão: Nestas caldeiras, existe o controle
da combustão a partir da vazão de combustível e da vazão do ar de
combustão.
As malhas de controle de combustão de combustível mantêm a
pressão do vapor, variando a vazão de combustível e de ar de
combustão injetados no queimador. Quanto maior a vazão de
combustível e de ar de combustão, maior a troca de calor, maior a
produção de vapor. Estas malhas também procuram manter a relação
ar/combustível na faixa mais estreita possível, pois o excesso de ar
influencia grandemente no rendimento da caldeira. O valor do excesso
de ar a ser utilizado depende do tipo de combustível, tipo de
queimador, características e preparação do combustão, tipo de
câmara de combustão, carga, ...
§ Sistemas de segurança: O sistema de segurança de uma
caldeira tem como finalidade proteger o equipamento de possíveis
falhas operacionais ou de seu sistema de controle. Visa, também, a
proteção de tudo aquilo que se situa ao redor da caldeira, pois estes
equipamentospodem causar danos enormes em caso de explosão,
este problema se torna mais crítico nas caldeiras de grande porte e
que operam com altas pressões.
O sistema de segurança deve ser projetado de forma a somente
permitir a partida da caldeira somente depois que todas as variáveis e
condições consideras críticas estejam dentro dos limites estabelecidos
e, caso ocorra qualquer anormalidade nestas variáveis, a caldeira seja
desligada automaticamente.
A escolha das variáveis e condições a serem consideradas
críticas, bem como a maneira com que são arranjados os dispositivos
detetores em um sistema de segurança específico, dependem da
pressão de operação, tipo e capacidade da caldeira, número e tipo de
combustível utilizado, tipo de vapor gerado, etc.