J.P.C. GUTIERREZ - MANUTENÇÃO INDUSTRIAL/CONTROLE DE NÍVEL DA CALDEIRA À VAPOR

CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Indicação do nível de água e níveis de água da caldeira
A indicação do nível de água aplica-se a caldeiras a vapor onde o nível de água pode ser detectado. Inclui a maioria das caldeiras a vapor, com exceção das do tipo 'passagem única' ou serpentina, onde não há tambor de vapor. Nesses casos, as temperaturas de saída do vapor que excedem um valor pré-definido são consideradas como indicação de entrada insuficiente de água.
Na maioria dos casos, o indicador simples no tambor de vapor/água ou na carcaça da caldeira é usado como indicador. Muitas normas estipulam o fornecimento de dois vidros de medição. Geralmente são necessários arranjos para evitar que uma quebra cause perigo ao operador. A forma mais comum de proteção é uma tela de vidro temperado na frente e nas laterais do vidro do medidor de água.
O vidro medidor de água construído em vidro plano ou prismático pode ser necessário para caldeiras de alta pressão.
O dispositivo de medição de vidro, que resistiu ao teste do tempo, é usado na grande maioria das caldeiras e geralmente é organizado para fornecer uma faixa visível do nível da água acima e abaixo do nível normal da água.
É fundamental entender o que se vê no vidro manômetro de uma caldeira. A seção a seguir explica alguns dos fatores que influenciarão o nível de água indicado no visor do medidor. 
Não é possível definir o nível exato da água em uma caldeira a vapor, pois a superfície da água é constituída por uma massa de bolhas com forte circulação horizontal. Existem, portanto, variações de nível ao longo e ao longo do corpo da caldeira. Por outro lado, o vidro medidor contém água que:

• Não está sujeito a correntes e agitações.

• Não contém bolhas de vapor.

• É mais frio que a água da caldeira.

Isto significa que a água no vidro do medidor (e outros acessórios externos) é mais densa do que a água dentro do casco da caldeira. Isto, por sua vez, significa que o vidro do medidor de nível mostrará um nível inferior ao nível médio da superfície da água no casco da caldeira.

Gentileza Spirax Sarco

A diferença entre o nível no visor de medição e o nível no casco da caldeira em altas taxas de vaporização depende de fatores como:

• A classificação de geração de vapor da caldeira.

• A altura da conexão de água do vidro medidor na caldeira.

• O TDS e a análise química da água da caldeira.

• O tamanho da carcaça da caldeira.

 
Mudanças de nível devido à circulação da caldeira
Com uma caldeira em carga elevada, a forte circulação da água da caldeira fará com que o nível da água varie ao longo do comprimento da caldeira. Estas correntes de circulação são normalmente consideradas ascendentes ao longo da parte frontal e traseira da caldeira e ascendentes ao longo da linha central sobre o forno.
A circulação descendente deve portanto ser feita lateralmente, na parte central da caldeira. Também pode haver um efeito de “atração” na conexão de saída de vapor, que tenderá a elevar a água localmente. 
Durante mudanças repentinas de carga, existe também a possibilidade de desenvolvimento de ondas na caldeira, que muitas vezes podem ser vistas no vidro do medidor de nível, mas idealmente devem ser ignoradas pelos controles de nível de água.

Gentileza Spirax Sarco

Um resumo das mudanças de nível esperadas sob diversas condições da caldeira é ilustrado na Figura 3.15.4.

Gentileza Spirax Sarco

Métodos de detecção de nível de água em caldeiras a vapor

• Controle de nível - Para garantir que a quantidade certa de água seja adicionada à caldeira no momento certo. 
• Alarme de nível baixo de água - Para um funcionamento seguro da caldeira, o alarme de nível baixo de água garante que a combustão do combustível não continua se o nível de água na caldeira tiver caído ou abaixo de um nível predeterminado. Para caldeiras a vapor controladas automaticamente, as normas nacionais normalmente exigem dois alarmes independentes de nível baixo, para garantir a segurança. No Reino Unido, o menor dos dois alarmes irá 'bloquear' o queimador e é necessária uma reinicialização manual para colocar a caldeira novamente em funcionamento.
• Alarme de nível alto - O alarme funciona se o nível da água subir muito, informando ao operador da caldeira para desligar o fornecimento de água de alimentação. Embora geralmente não seja obrigatório, o uso de alarmes de alto nível é sensato, pois reduz a chance de arraste de água e golpe de aríete no sistema de distribuição de vapor.

Alarmes de nível de água

Onde as caldeiras funcionam sem supervisão constante (o que inclui a maioria das caldeiras industriais), são necessários alarmes de baixo nível de água para desligar a caldeira em caso de falta de água na caldeira. O nível baixo pode ser causado por:

• Falta de água de alimentação no tanque de alimentação.
• Falha de uma bomba de alimentação.
• Isolamento acidental da linha de água de alimentação
• Falha do sistema de controle de nível.

MALHAS DE CONTROLE DO NÍVEL DÁGUA EM CALDEIRAS À VAPOR

Caldeira é um equipamento no qual um líquido é aquecido para vaporizá-lo; a fase líquida é convertida na fase de vapor. Normalmente o fluido de trabalho utilizado nas caldeiras é a água e é utilizado para converter água líquida em vapor. O tambor da caldeira é onde a água líquida e o vapor são separados.

É muito importante controlar o nível da água no tambor da caldeira. O nível não deve ser muito alto ou muito baixo. A água entra no tambor da caldeira após passar por um economizador, para isso; normalmente a água do fundo do tambor da caldeira é transportada ao redor da fornalha e depois retornada ao tambor da caldeira. Se o nível da água ficar baixo é possível que esta circulação seja afetada e assim os tubos possam ser afetados, se o nível da água ficar muito baixo pode fazer com que a caldeira funcione a seco causando danos mecânicos.

Se o nível da água ficar muito alto, a pureza do vapor poderá ser afetada. Isso pode fazer com que mais gotas de água passem pelo desembaçador e entrem no superaquecedor junto com o vapor saturado. Para vaporizar essas gotas de água será necessário mais calor, o efeito será o aumento da carga térmica; isso também implica que a vida útil dos tubos pode ser reduzida. Se o nível da água ficar muito alto, pode ser possível que quantidades de líquido que entrem sejam transportadas a jusante e danifiquem os equipamentos.

Normalmente é padrão manter o nível do tambor da caldeira em 50% durante a operação.

Os projetos para controle de nível do tambor da caldeira são chamados de controle de elemento único, dois elementos e três elementos.

Neste tipo de mecanismo de controle, a água é alimentada no tambor da caldeira através de um único ou múltiplos tubos e, portanto, de uma única ou múltiplas válvulas de controle. Apenas o nível da água no tambor é medido através de um transmissor de nível e a informação é enviada ao controlador. Com base nas informações obtidas é comparado com o set point e então as válvulas de controle são manipuladas de forma a aumentar ou diminuir a vazão da água no interior do tambor da caldeira. Leva algum tempo para efetuar alterações neste tipo de mecanismo, portanto ele só é usado onde o tempo de residência é muito grande.

Controle de dois elementos

Gentileza de Chemical Engineering World

Neste mecanismo, mais uma variável é controlada no processo além do nível. Essa variável é a vazão. A vazão pode ser de água de alimentação ou de vapor, qualquer um deles. Eles formam um sistema de controle em cascata com o controlador de nível localizado na malha primária e a entrada dele é usada para definir a malha secundária que consiste no controlador de vazão. A precisão é muito melhor e também mais rápida do que o controle de elemento único.

Controle de três elementos

Gentileza de Chemical Engineering World

Neste mecanismo, o nível do tambor é controlado, a vazão da água de alimentação e a vazão do vapor são controladas. Ele forma um sistema cascata mais feedforward. A saída do controle de nível é inserida na vazão de vapor feedforward e a medição da vazão de vapor é usada para definir a vazão da água de alimentação. Esta combinação é a mais precisa entre as três. A única desvantagem é que o controle de três elementos não pode ser usado para condições de baixa carga da caldeira porque nessas condições é muito difícil medir com precisão a vazão de vapor. Em altas cargas da caldeira, este mecanismo é mais útil.