Presión diferencial frente a radar de onda guiada

Si los niveles de agua en la caldera de vapor son demasiado altos, se corre el riesgo de sobrellenado. Por otro lado, los niveles de agua que bajan demasiado pueden causar daños significativos a equipos costosos, además de los costos asociados con el tiempo de inactividad resultante para las reparaciones. 

Los operadores tienen la responsabilidad de ejecutar estos procesos de manera eficiente al mantener el agua en un nivel óptimo y alto, sin olvidar nunca la seguridad.

El Código Internacional de Calderas y Recipientes a Presión (BPVC) de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) describe varias tecnologías aceptables para la medición del nivel de agua dentro de una caldera. Las dos tecnologías más utilizadas en esta lista son la presión diferencial y el radar de onda guiada.

Comprender las limitaciones de cada tecnología y los factores que afectan su fiabilidad son los primeros pasos para determinar qué tecnología de medición de nivel debe usarse.

En este artículo veremos las diferencias entre la presión diferencial y el radar de onda guiada, resumiendo sus ventajas y desventajas para la medición de nivel en tambores de calderas, con especial importancia en la seguridad durante el arranque y apagado.

Compresión de los tambores de la caldera de vapor

Las calderas de vapor utilizan calor y presión para convertir el agua en vapor, que luego se transporta a través de tuberías hasta el equipo que se está calentando. Para conservar agua y energía, las calderas de vapor se utilizan a menudo en una serie con presiones y temperaturas incrementales en cada etapa.

Las condiciones dentro de las calderas de vapor son extremadamente calientes y están altamente presurizadas para crear vapor saturado. Simplemente especificar un sensor de medición de nivel aprobado por BPVC sin comprender completamente el principio de funcionamiento del instrumento conducirá a un control menos que óptimo en el mejor de los casos y una operación insegura en el peor.

A medida que el agua se vaporiza y cambia de vapor a vapor saturado, su densidad cambia, lo que genera desafíos para las tecnologías de medición de nivel, como por ejemplo la presión diferencial, que dependen de una densidad constante para proporcionar una medición precisa.

Por otro lado, el radar de onda guiada experimenta velocidades de pulso más lentas que se mueven a través del vapor saturado, lo que también puede provocar errores y mediciones poco fiables. El desafío es encontrar una solución que funcione con la tecnología disponible.

Transmisores de presión diferencial, el antiguo estándar

Los transmisores de presión diferencial utilizan un diafragma de doble cara que detecta la presión desde el fondo del recipiente en un lado y desde la parte superior del recipiente en el otro. Estas medidas de presión opuestas empujan los lados opuestos del diafragma de dos lados y la medida resultante es la diferencia de presión o presión diferencial.

La medición de la presión diferencial se puede utilizar para calcular un nivel mediante la fórmula de presión hidrostática, que consta de tres variables: presión, densidad y altura. El sensor mide la presión, el cliente introduce la densidad como una constante y la altura es el nivel.

Ecuación hidrostática

• P = ρ ۰ gramo ۰ h
• P = Presión ρ = densidad g = gravedad h = altura (nivel)

Las mediciones de nivel precisas que utilizan presión diferencial dependen de una densidad constante. Sin embargo, cuando se trata de calderas de vapor, rara vez se da una densidad constante. 

Durante el encendido y apagado, el espacio de aire en el recipiente sufre un cambio de densidad significativo a medida que las temperaturas suben a más de 320 °, las presiones alcanzan los 1.500 psi y el vapor se convierte en vapor saturado.

A medida que el espacio de aire pasa de contener vapor a vapor saturado, su densidad puede cambiar hasta en un 50%. Este cambio drástico luego se traduce en un error de medición de nivel en casi la misma cantidad, asumiendo que el sensor de presión diferencial está calibrado mientras el proceso no se está ejecutando.

Los operadores que comprenden este concepto a menudo compensan calibrando el sensor de presión diferencial en una condición de funcionamiento específica. Esta práctica mejora en gran medida el rendimiento en esa condición operativa específica, pero aún no elimina los errores de medición cuando el proceso fluctúa fuera de esta etapa de la operación.

Los sensores de presión diferencial también pueden generar errores de medición cuando los capilares de los sensores están expuestos a cambios de temperatura en el transcurso de un día. El fluido en estas líneas se expandirá o contraerá con los cambios de temperatura, lo que hace que el transmisor de presión emita un ligero cambio de nivel. 

Este es un problema común con todas las mediciones de presión diferencial y no es exclusivo de los tambores de las calderas de vapor.

Los sensores de presión diferencial existen desde hace mucho tiempo, y la medición es una tecnología versátil y ampliamente utilizada para todo tipo de aplicaciones, incluidas muchas aplicaciones de calderas de vapor en todo el mundo.

Sin embargo, muchas operaciones solo hacen funcionar su caldera de vapor a una fracción de su capacidad total debido a las posibles imprecisiones asociadas con la medición de nivel. Con una tecnología diferente que proporciona una mejor medición de nivel, las calderas de vapor pueden funcionar de manera más eficiente y segura.

Radar de onda guiada, mejoras en una tecnología en evolución

El radar de onda guiada envía repetidamente pulsos de microondas de baja amplitud y alta frecuencia a la velocidad de la luz a lo largo de una sonda. El dispositivo calcula la distancia midiendo el tiempo que tarda el pulso en alcanzar la superficie del fluido y regresar.

Fórmula de nivel de tiempo de vuelo

• d = (s ۰ t) / 2
• d = distancia (nivel) s = velocidad t = tiempo

Mientras la velocidad de la luz permanezca constante, las mediciones con radar de onda guiada solo están influenciadas por la constante dieléctrica, o propiedades reflectantes, del fluido que está midiendo el sensor. Los fluidos con una constante dieléctrica más alta devolverán una señal más fuerte a la electrónica del sensor, mientras que los fluidos con constantes dieléctricas más bajas se vuelven más difíciles de medir.

En condiciones ambientales, el agua tiene una constante dieléctrica relativamente alta, por lo que el radar de onda guiada puede medir fácilmente el nivel. A medida que la temperatura y la presión del agua aumentan dentro de una caldera, la constante dieléctrica del agua cae hasta en un 75%, pero esta caída significativa tiene poco o ningún efecto sobre la señal de retorno y la salida de medición resultante.

Si las únicas actividades dentro de una caldera fueran temperaturas y presiones en aumento, un radar de onda guiada capaz de resistir esas condiciones sería la tecnología ideal para las calderas de vapor. 

Sin embargo, a medida que el agua dentro de la caldera se calienta y presuriza, el espacio de aire en el interior se reemplaza con vapor saturado. Y el vapor saturado tiene propiedades diferentes al aire que está reemplazando.

El pequeño cambio entre aire y vapor saturado es lo suficientemente significativo como para ralentizar la señal de microondas y alterar la salida de medición. 

Dado que las mediciones de nivel con radar de onda guiada se calculan utilizando el tiempo de vuelo de la señal, cualquier cambio no contabilizado en la velocidad a través del espacio aéreo resultará en un error de medición y una subutilización significativa de la caldera de vapor.

Afortunadamente, fabricantes de instrumentación como VEGA han realizado avances significativos en la tecnología de radar de onda guiada para superar errores como estos y maximizar la precisión de la medición de nivel dentro de las calderas de vapor. La compensación de un error de medición conocido debido a un cambio en la velocidad de la señal es simplemente una cuestión de saber cuánto más lenta viaja la señal y ajustar el cambio de velocidad.

Para determinar el cambio en la velocidad de la señal del radar de onda guiada, los radares de onda guiada VEGA utilizan tecnología de compensación de vapor. Una pequeña sección cerca de la parte superior de la sonda de medición se usa para evaluar constantemente cuánto más lento viaja la señal. Al hacer esto, la electrónica del sensor sabe cuánto más lento viaja la señal de microondas por la sonda y a través del vapor saturado.

La electrónica del sensor utiliza el cambio de velocidad y aplica la velocidad más lenta a todo el intervalo de medición, compensa el cambio y genera una medición de nivel precisa. Este ajuste ocurre en tiempo real con cada transmisión de señal, lo que garantiza una medición de nivel continua y precisa, incluso durante el arranque y el apagado.

Cuando esta tecnología se aplica correctamente, la sección de referencia verifica simultáneamente el cálculo de velocidad del instrumento y proporciona una medición más fiable y precisa. Esta tecnología es mucho menos susceptible a errores de medición basados en las condiciones cambiantes dentro de una caldera de vapor.

Conclusiones

Las mediciones de nivel precisas y la seguridad de la caldera de vapor van de la mano. La elección de una tecnología de medición de nivel que pueda proporcionar fiabilidad y precisión durante cada paso del funcionamiento de una caldera es de suma importancia. 

Comprender el principio operativo de una tecnología de medición es el primer paso para tomar una decisión correcta.

Si bien la presión diferencial es un método adecuado para medir el nivel en una caldera de vapor, las densidades cambiantes en el espacio de aire hacen que este método sea menos preciso y, por lo tanto, menos fiable en cada fase de la operación de la caldera. 

Por el contrario, el radar de onda guiada no se ve afectado por las condiciones cambiantes dentro de una caldera de vapor debido a los avances tecnológicos que se han realizado para abordar los desafíos del vapor saturado.

Al agregar un radar de onda guiada a su caldera de vapor, los operadores pueden mejorar su capacidad para rastrear con precisión el nivel en cada fase de la operación de la caldera, mejorando la seguridad y la eficiencia. 

Después de todo, las mediciones de nivel precisas y fiables pueden permitir a los operadores hacer funcionar las calderas de vapor con la máxima eficiencia para ahorrar en costos de energía.