Automação e Controle de Caldeiras

Automação e Controle de Caldeiras

Conteúdo

1. Operação Automática da Caldeira
2. Sistema de controle de nível de água
3. Alarmes e Desligamentos
4. Sequência de controle do queimador da caldeira
5. Sistema de controle de abastecimento de água de alimentação

Operação Automática da Caldeira

Uma caldeira marítima é comissionada com vários sistemas de automação para gerar a pressão de vapor necessária com operação automática independente. A automação inclui sistemas de monitoramento e alarme, sistema de alimentação automática, sistema de controle de nível, sistema de controle de combustível, sistema elétrico e sistema de operação sequencial.

O painel de controle local da caldeira é fornecido com um botão seletor para escolher entre 3 modos de operação – “Auto”, “Manual” e “Stop”. Em alguns navios, em vez de operar a partir do painel de controle, o programa operacional computadorizado é projetado para operar a caldeira.

Quando não estiver em uso, o botão é selecionado para a posição de parada, o que desenergiza toda a energia elétrica da caldeira. A bomba de água de alimentação e a bomba de combustível têm um interruptor separado que precisa ser operado na posição de parada se não houver necessidade de combustível e água.

 

Operação automática:

Quando o botão seletor estiver posicionado em “Auto”, considerando que o sistema de bomba de combustível, a bomba de óleo diesel do queimador piloto e o sistema de água de alimentação já estão funcionando em automático, as seguintes etapas ocorrerão:

• Uma vez selecionada a operação automática, o painel enviará um sinal para o motor de partida do ventilador FD operar. O ventilador de tiragem forçada (FD) começará por um período de tempo definido controlado pelo interruptor do temporizador. Normalmente, 3 a 4 minutos de tempo são alocados antes da purga
• Após a operação de pré-purga, a energia é fornecida aos eletrodos do queimador piloto
• A válvula solenoide instalada na linha de combustível do queimador piloto é energizada e aberta para permitir o fluxo de combustível
• O combustível é fornecido na câmara de combustão através do queimador piloto com eletrodos criando faísca
• O ar é fornecido de forma controlada através do registro de ar na fornalha
• Na presença de fonte de calor (faísca), o oxigênio e a chama do combustível são criados dentro da fornalha
• O olho da chama localizado na fornalha detecta a chama piloto e envia um sinal para o painel de controle da caldeira
• Se houver um problema na chama do queimador piloto, o olho da chama não detectará nenhuma chama que desarme a caldeira
• Se o olho detecta chama, após um determinado período de tempo, ele envia um sinal para o painel de controle, que então energiza a válvula solenoide da linha de combustível do queimador principal e a abre
• O combustível é fornecido ao queimador principal, que gera a chama na presença de chama piloto e registros de ar
• Um temporizador é instalado e configurado para desligar o queimador piloto após um período de tempo, uma vez que a válvula solenoide do queimador é aberta
• O olho da chama monitora continuamente a condição da chama dentro da caldeira e, se não detectar nenhuma chama, um sinal de disparo é enviado ao painel de controle da caldeira
• Um transmissor de pressão também é instalado com configurações de pressão mínima e máxima
• Uma vez atingida a pressão máxima definida, envia um sinal para o painel de controle da caldeira para parar o queimador principal
• Como o queimador principal da caldeira está desligado, devido ao consumo de vapor, a pressão da caldeira diminuirá e, uma vez atingida a pressão mínima definida no transmissor de pressão, ele dará um sinal ao painel de controle para iniciar a operação geral novamente

 

Sistema de controle de nível de água

A água é fornecida ao tubulão de água da caldeira através da bomba de água de alimentação. Para uma operação automática, a bomba de água de alimentação deve saber quando iniciar e quando parar. Se a bomba de alimentação funcionar continuamente, pode transbordar a caldeira, o que pode causar escorvamento ou, se a bomba não atender à demanda, o nível de água diminuirá abaixo do necessário, levando a fortes tensões térmicas e superaquecimento da caldeira. O sistema de água de alimentação é fornecido com um sistema de controle de nível, que comanda a partida e a parada da bomba de água de alimentação para manter o nível de água da caldeira. Em uma caldeira marítima, os seguintes sistemas de controle de nível de água são usados ​​com destaque:

Boia/sonda de controle de nível: Este tipo de sistema é instalado na parte superior do tubulão da caldeira ou em uma câmara de água anexada ao tubulão da caldeira, que mostra o nível real de água a partir do tubulão. No sistema tipo sonda, uma haste metálica é suspensa no tubulão de água da caldeira com tensão elétrica juntamente com um amperímetro incluso no circuito.

Com a sonda imersa na água, a corrente fluirá pelo circuito. Se a sonda for retirada da água, a corrente não fluirá pelo circuito. A sonda pode ser usada para controlar a partida e parada da bomba de água de alimentação ou para abrir a válvula de água de alimentação integrada com alarme de nível (dependendo do projeto do sistema).

Em um sistema do tipo flutuador, um flutuador é suspenso sobre a água e se move para cima ou para baixo de acordo com o nível real da caldeira. A boia é conectada a uma haste de metal equipada com interruptores magnéticos para iniciar ou parar a bomba ou abrir e fechar a válvula de alimentação.

Os alarmes também podem ser integrados neste sistema adicionando mais interruptores magnéticos no nível desejado. Os dispositivos de nível de água do tipo flutuador e sonda podem fornecer leituras erráticas na presença de espuma ou óleo na água da caldeira.

 

Verificações e Manutenção:

• Verifique se todas as conexões elétricas estão apertadas
• Se a indicação de nível estiver errada e errática, verifique se há espuma ou óleo no tubulão da caldeira
• Regularmente, a escória derruba as impurezas flutuantes
• Para óleo na água, a caldeira deve ser parada e o óleo removido
• Verifique o funcionamento do sistema semanalmente quanto a alarmes e desarmes
• Quando a caldeira estiver despressurizada, abra a tampa de aço e limpe as sondas/boia de depósitos de sal
• Certifique-se de que todos os interruptores magnéticos estão funcionando corretamente
• Verifique se não há danos no flutuador. Uma vez puxado para fora, a água saindo do flutuador indica vazamento

Chave de nível do transmissor de pressão diferencial: A chave de nível do transmissor DP é usada principalmente em caldeiras de capacidade de alta pressão e onde é usada água de entrada de alta qualidade.

Como o nome sugere, ele mede a diferença nas pressões de duas células, ou seja, perna constante e perna variável.

A célula/perna constante ou de referência é conectada ao tubulão da caldeira acima do nível de água mais alto e é preenchida com água durante a operação normal. A perna variável é conectada no ponto mais baixo do nível de água no tubulão da caldeira.

O sinal de pressão diferencial é normalmente elevado, eletricamente ou pneumaticamente, de modo que o sinal de saída corresponde ao nível na caldeira. 0% de água no copo de nível corresponde a 4 mA (3 psi) e 100% corresponde a 15 psi ou 20 mA. A principal vantagem do sistema de medição de nível de água DP é que ele é insensível à espuma, pois esse método é baseado no peso da água no tubulão.

 

Manutenção: Existem três procedimentos de manutenção importantes relacionados ao controlador de nível do transmissor DP:

Descarregamento de pernas variáveis ​​e de referência: O procedimento de esvaziamento deve ser realizado pelo menos uma vez por mês e sua frequência deve ser aumentada caso a água esteja contaminada com lama, sal, lodo etc.

O procedimento de purga deve ser executado conforme descrito abaixo quando a caldeira estiver em operação e em condições de carga constante. Quando o procedimento de purga é realizado, é muito importante que o nível de água na caldeira seja cuidadosa e continuamente supervisionado pelo engenheiro naval. A válvula de controle da água de alimentação deve ser operada manualmente, se necessário.

Procedimento para descarregar:

• Isole o transmissor de pressão diferencial fechando as duas válvulas de conexão do transmissor no coletor
• A válvula de equalização deve permanecer fechada durante o procedimento de sopro e operação normal
• Abra lentamente as válvulas de drenagem fornecidas nas pernas de impulso
• Deixe as pernas soprarem por alguns segundos
• Feche a válvula de fechamento para a perna de referência
• Feche as válvulas de drenagem quando a perna de referência estiver completamente despressurizada
• Encha a perna de referência com água de alimentação através do bujão de enchimento
• Aperte o bujão de enchimento e abra lentamente a válvula de fechamento para a perna de referência
• Abra as duas válvulas de conexão do transmissor no manifold
• Depois de realizar a descarga, verifique se a unidade transmissora de nível de água DP e a válvula de controle de água de alimentação estão totalmente operacionais

Procedimento de sopro dos tubos de conexão: Os tubos de conexão no sistema do transmissor DP requerem sopro para evitar o entupimento do sistema. A descarga deve ser realizada pelo menos uma vez por ano, mas sua frequência deve ser aumentada caso a água esteja contaminada com lama, sal, lodo, etc. A descarga deve ser realizada com a caldeira na posição parada, mas ainda em condição pressurizada. Siga o procedimento abaixo:

• Abra as instalações de ventilação para a perna de impulso localizada no coletor da válvula
• As válvulas de conexão do transmissor devem permanecer abertas e a válvula de equalização fechada durante o procedimento de sopro
• Feche as instalações de ventilação no coletor da válvula assim que a água limpa escapar
• Feche a válvula de fechamento para a perna de referência
• Abra lentamente a válvula de drenagem da perna de referência
• Feche a válvula de drenagem novamente quando a perna de referência estiver completamente despressurizada
• Desaperte o bujão de enchimento da perna de referência e encha a perna com água de alimentação
• Aperte o bujão de enchimento e abra lentamente a válvula de fechamento para a perna de referência

Em algumas caldeiras marítimas, o transmissor DP e o sistema de flutuação de nível são usados ​​simultaneamente. O transmissor DP é usado exclusivamente para controle de nível e o sistema de flutuação é usado para detectar o nível e ativar alarmes e disparos.

 

Alarmes e Desligamentos

Os alarmes e disparos da caldeira são parte importante da automação, sem os quais a operação automática da caldeira é impossível. Engenheiros para garantir que todos os alarmes e disparos estejam funcionando corretamente o tempo todo.

Uma caldeira marítima é composta por diferentes alarmes que dão pré-aviso para uma subcondição, que se negligenciada pode levar a problemas operacionais e de manutenção.

Segue-se a lista dos alarmes integrados no sistema da caldeira:

Alarmes de nível de água baixo e alto:
Um interruptor de boia de nível supervisiona o nível de água na caldeira. É instalado na posição vertical e ligado às tomadas da caldeira. Uma boia e uma haste de boia carregam um ímã transmissor, que corre em um tubo transmissor de aço inoxidável. O ímã transmissor opera os interruptores magnéticos instalados externamente quando entra em contato com o mesmo, acionando um alarme audiovisual.

No lugar do flutuador, sondas de condutividade podem ser usadas para detectar níveis de água. Para baixo e alto nível de água, serão instaladas duas sondas diferentes operando no princípio da resistência à terra.

Cada eletrodo da sonda atua como um interruptor simples, indicando baixa resistência à terra se estiver em contato com a água ou alta resistência se a sonda estiver fora da água.

Alarme de baixa pressão da caldeira: Um transdutor de pressão é instalado na caldeira, que é conectado ao sistema de alarme audiovisual. Quando a caldeira atingir um ponto de ajuste de baixa pressão, o alarme soará.

Alarmes de alta e baixa temperatura do óleo combustível: Um sensor de temperatura é instalado na linha de combustível do queimador da caldeira, que dá sua saída ao transdutor de alarme para alarmes de alta e baixa temperatura.

Alarme de comutação da bomba em espera (quando a bomba em funcionamento dispara): Se, devido a qualquer falha, a bomba em funcionamento for interrompida e, como resultado, a bomba em espera for iniciada, ela emitirá um alarme para a bomba em espera em funcionamento. Verifique a causa da paragem da bomba em funcionamento.

Alarme de alta salinidade do tanque cascata: O tanque cascata está equipado com um salinômetro que detecta o teor de sal do tanque cascata. Se a salinidade estiver no lado mais alto e der um alarme, verifique se há vazamento de água do mar no sistema.

Alta condutividade: Um sensor de condutividade também é instalado para verificar o conteúdo total de sólidos dissolvidos na água da caldeira. A condutividade depende tanto da concentração iônica quanto da mobilidade iônica. A mobilidade geralmente aumenta com a temperatura e as medições de condutividade dependem da temperatura, aumentando cerca de 2% para cada aumento de °C na temperatura.

Alarme de detecção de óleo: O tanque Cascata (Cisterna) também é equipado com sensor de óleo na água quente do tanque. Se for detectado óleo no tanque cascata, todos os meios devem ser tomados para não permitir que o óleo entre na caldeira. Verifique e solucione imediatamente a causa do óleo na água da caldeira.

Trips de desligamento da caldeira:
A caldeira é fornecida com diferentes desligamentos para protegê-la de estresses térmicos, superaquecimento, perda de pressão de vapor etc.

Nível baixo baixo (LL): Uma vez que o alarme de nível baixo soe e o nível de água esteja diminuindo ainda mais, a caldeira irá disparar em um ponto que está abaixo do alarme de nível baixo.

Nível alto alto (HH): O sensor de nível de água também detecta o nível alto. Se o controlador de nível estiver com defeito e a água for continuamente bombeada para dentro da caldeira, isso não apenas induzirá tensões térmicas, mas também resultará em transferência. Para evitar isso, é instalado um desarme de nível alto-alto.

Falha de chama: Uma fotocélula é instalada na fornalha, que monitora continuamente a chama.

Se por alguma avaria a chama no interior da caldeira se extinguir, a fotocélula do sensor de chama não detectará nenhuma luz e será emitido o alarme de falha de chama. Isso protegerá a caldeira da despressurização.

Alta pressão de vapor: A pressão da caldeira é continuamente monitorada e se a pressão exceder um limite definido, a caldeira será acionada para evitar explosão (no caso de outro sistema de segurança não responder).

Baixa temperatura de Óleo Combustível: O disparo de baixa temperatura é definido mais abaixo do alarme de baixa temperatura. Se a temperatura do óleo cair mesmo após o alarme de baixa temperatura ter sido acionado, a caldeira irá disparar para proteger o equipamento do queimador.

Alta temperatura de Óleo Combustível: O disparo de alta temperatura é definido acima do alarme de baixa temperatura. Se a temperatura do óleo aumentar mesmo após o alarme de alta temperatura ter sido acionado, a caldeira irá disparar para proteger o equipamento do queimador e evitar a penetração de combustível na fornalha.

Falha do ventilador FD: O ventilador de tiragem forçada fornece ar de purga e combustão aa fornalha da caldeira. Se o ventilador FD não arrancar no seu intervalo de tempo, a automação da caldeira dispara a caldeira.

Porta do queimador aberta: A porta do queimador da caldeira é fornecida com uma trava fácil, que pode ser aberta para que a porta possa ser aberta para facilitar a manutenção e as verificações do queimador.

Um contator está instalado na porta da caldeira e no invólucro da caldeira que, quando não estiver em contato, a caldeira não poderá iniciar.

Desarme de condutividade muito alta: É muito prejudicial operar a caldeira com alto TDS (total de sólidos dissolvidos), pois reduzirá drasticamente a capacidade de transferência de calor da caldeira. O TDS é monitorado pela verificação contínua da condutividade da água da caldeira. Se a condutividade estiver ultrapassando o limite normal, dará um alarme e se subir ainda mais, a caldeira disparará.

Sequência de controle do queimador da caldeira

A operação do queimador da caldeira é operada automaticamente através do controlador de sequência, o que garante não apenas uma combustão eficiente, mas também a segurança da fornalha da caldeira por pré e pós purga com tiragem de ar forçada.

A automação na operação do queimador resulta na melhor combustão possível desde que o combustível utilizado seja de boa qualidade e bem tratado. Em comparação com a operação manual, a automação dos sistemas de queimadores resultará em:

• 25-40% de redução nos custos de combustível
• Período de retorno típico de 2 a 4 anos

Emissões de carbono reduzidas

Abaixo está o procedimento da sequência de controle do queimador da caldeira:

• Sequência de Ignição do Queimador “ON”
• O ventilador FD inicia automaticamente para pós-purga
• Bomba de combustível inicia automaticamente
• A purga da fornalha começa e a válvula de vapor do atomizador para o queimador abre
• Acabamentos de purga da fornalha
• Verifica a ignição do queimador – conclusão da purga da fornalha – temperatura FO = 110 °C – válvula de recirculação FO fechada – pressão FO no queimador >10 bar – bomba FO funcionando – ajuste da relação ar-combustível
• Condição de ignição do piloto estabelecida para operar por 5 segundos
• O olho da chama detecta a chama dentro de 8 segundos após a ignição do piloto
• Ignição do queimador principal após 3 segundos da verificação da ignição do queimador piloto
• A válvula FO para o queimador abre totalmente
• A bomba piloto do queimador para e as válvulas fecham
• Se o olho da chama não detectar chama, a caldeira dispara
• Conclusão da sequência do queimador
• Quando o queimador para, é imediatamente purgado com vapor

 

Sistema de controle de abastecimento de água de alimentação

A alimentação da caldeira normalmente pode ocorrer das três maneiras a seguir:

• Controle liga/desliga
• Somente através da válvula de alimentação ou em combinação com velocidade variável
• Velocidade variável

 

Controle liga/desliga:

No sistema de controle on/off, a bomba de alimentação é controlada por um sensor de nível ou um transmissor de pressão diferencial, que é instalado no tubulão da caldeira. Quando o nível de água cai abaixo do nível “Pump On”, a bomba de alimentação inicia e funciona até que o nível de água suba para o nível “Pump Off”. Este sistema é usado para caldeiras com baixo requisito de qualidade de vapor, pois o bombeamento de grande quantidade de água de uma só vez reduzirá a qualidade do vapor.

Vantagens:

• Instalação baixa e fácil
• Baixo custo operacional
• Nenhum desvio está instalado

Desvantagens:

• Vapor de baixa qualidade
• Variação na produção de vapor
• Perigo de transporte

Através do controle da válvula de alimentação:

O nível de água no tubulão da caldeira é controlado pela abertura e fechamento da válvula de alimentação. Um sensor de nível ou um transmissor de pressão diferencial posicionado na caldeira controla a operação da válvula de alimentação. A válvula de alimentação é ajustada de acordo com o consumo de vapor da praça de máquinas. No entanto, isso requer que a bomba de alimentação seja ajustada para operação contínua.

Como este sistema opera sem problemas, é ideal para todos os tipos de caldeiras de vapor, pequenas e grandes, e também minimiza o risco de fervura excessiva. Lembre-se de dimensionar a válvula de derivação de acordo com a vazão mínima das bombas de alimentação, que é de 10% da vazão nominal da bomba. Pode ser uma boa ideia parar a bomba quando a válvula estiver fechada, mas isso requer um sinal da válvula.

Vantagem:

• Alimentação da caldeira ajustada de acordo com o ‘consumo de vapor’
• Maior eficiência do que o controle “liga e desliga”

Desvantagem:

• A bomba deve ser configurada em operação contínua, o que aumenta o consumo de energia
• Requisito de desvio
• A válvula de alimentação é cara
• Perda de pressão na válvula de alimentação

 

Através da bomba de alimentação variável:

Como o nome sugere, a bomba de alimentação com vazão variável é responsável por manter o nível de água na caldeira.

Nenhuma válvula de controle é instalada na linha e o sinal recebido dos transmissores de nível é tomado como entrada para o abastecimento de água no tubulão. Assim, a entrada de água é controlada de acordo com a demanda de vapor. Como este sistema opera sem problemas, é ideal para todos os tipos de caldeiras a vapor, pequenas e grandes, e também minimiza o risco de fervura excessiva

Vantagens:

• A alimentação da caldeira é de acordo com a demanda de vapor
• Melhor eficiência
• Economia de energia na operação da bomba
• Sem perda de pressão na válvula de alimentação
• Mais barato em instalação e operação do que o sistema de válvula de controle de alimentação

Desvantagem:

• Configuração precisa da operação da bomba