Los ventiladores de tiro forzado de calderas apoyan el suministro estable de aire de combustión en plantas industriales

En una caldera industrial, la estabilidad de la combustión depende de algo más que del propio quemador. El sistema de combustión debe recibir la cantidad adecuada de aire a la presión requerida, incluso cuando cambia la carga de la caldera. Los ventiladores de tiro forzado para calderas proporcionan este aire de combustión empujando el aire ambiente o precalentado hacia el quemador, la caja de viento, la parrilla o el horno. En los sistemas de tiro equilibrado, el ventilador de tiro forzado funciona junto con el ventilador de tiro inducido para controlar el flujo de aire a través de la caldera.

Por qué es importante el suministro de aire de combustión

El combustible no puede quemarse eficientemente si el oxígeno disponible es insuficiente. Al mismo tiempo, simplemente suministrar más aire no es una solución. El exceso de aire absorbe calor y transporta calor adicional a través de la chimenea, lo que puede reducir la eficiencia de la caldera. Por esta razón, los ventiladores de tiro forzado para calderas deben proporcionar suficiente flujo de aire en todo el rango operativo en lugar de simplemente producir el máximo volumen de aire posible.

Por ejemplo, considere una caldera de biomasa que funcione entre el 60% y el 100% de carga. Si el ventilador funciona casi a máxima velocidad independientemente de la carga de la caldera, el sistema puede recibir exceso de aire de combustión a baja carga. El mejor enfoque es controlar el flujo de aire de acuerdo con la demanda real de combustible, utilizando una compuerta de entrada, una paleta guía de entrada o un VFD, según el diseño del sistema. Las investigaciones sobre el control de velocidad variable de las salas de calderas también han demostrado la relación entre el funcionamiento del ventilador, el exceso de aire y la eficiencia de la caldera. 

No seleccione el ventilador únicamente según la potencia del motor

Uno de los errores más comunes a la hora de sustituir un ventilador de caldera es pedir un motor de 30 kW, 45 kW o 75 kW y esperar que el fabricante del ventilador determine todo a partir de ese número. La potencia del motor es una salida del proceso de selección del ventilador, no el parámetro de selección principal.

Para ventiladores de tiro forzado de calderas, la información básica debe incluir:

Flujo de aire requerido, como m³/h o CFM

Presión estática requerida o presión total

Temperatura de entrada de aire

Tipo de combustible

Capacidad de la caldera

Altitud de funcionamiento

Rango de carga esperado

Pérdidas de presión en conductos y equipos.

Resistencia del quemador o parrilla

Caída de presión del precalentador de aire, si está instalado

método de control

Tensión y frecuencia del motor.

Disposición de instalación del ventilador

Dirección de rotación y posición de salida.

El requisito de presión debe calcularse a partir del recorrido completo del aire. Los conductos, codos, compuertas, filtros, precalentadores de aire, cajas de viento, registros de quemadores y otros componentes contribuyen a la resistencia. 

Un ejemplo práctico de selección de fans

Supongamos que una caldera industrial requiere 18.000 m³/h de aire de combustión a una presión estática de 2.200 Pa en las condiciones operativas de diseño. El ventilador no debe seleccionarse simplemente como “ventilador de 18.000 m³/h”.

Primero, el ingeniero debe confirmar si 18.000 m³/h es el flujo de aire operativo realmente requerido o si ya incluye el margen de diseño requerido. A continuación, es necesario calcular las pérdidas de presión entre la entrada del ventilador y el horno.

Por ejemplo:

Pérdida del conducto de aire: 300 Pa

Pérdida de compuerta: 180 Pa

Pérdida del precalentador de aire: 450 Pa

Pérdida de caja de viento y quemador: 700 Pa

Otras pérdidas del sistema: 350 Pa

Margen requerido: evaluado por separado según el diseño del proyecto

Luego, la selección del ventilador debe compararse con el punto de funcionamiento resultante y no únicamente con el flujo de aire. Esto es particularmente importante cuando los ventiladores de tiro forzado de calderas se utilizan como reemplazo de una unidad existente, porque los cambios en los conductos o en el quemador pueden cambiar el punto de funcionamiento real.

La presión del ventilador y el flujo de aire deben coincidir con la caldera

Un ventilador puede producir un gran flujo de aire a baja presión y aún así no entregar el aire requerido al horno. Por el contrario, seleccionar una presión excesiva puede resultar en una aceleración innecesaria y una mayor potencia operativa.

Por eso es importante la curva de rendimiento del ventilador. El punto de diseño debe ubicarse dentro de una región adecuada de la curva del ventilador, con suficiente rango de control para el funcionamiento normal de la caldera.

Para los ventiladores de tiro forzado de calderas, normalmente comprobaría al menos tres puntos de funcionamiento:

Carga mínima estable de la caldera

Carga de funcionamiento normal

Carga continua máxima

Si la caldera funciona normalmente al 70-90% de carga, el ventilador no debe optimizarse sólo para un punto teórico del 100%. El rango operativo real es importante porque la demanda de aire de combustión cambia con la entrada de combustible.

El control VFD puede ser útil, pero no es automáticamente la mejor solución

A menudo se consideran unidades de frecuencia variable para ventiladores de tiro forzado de calderas porque la velocidad del ventilador se puede ajustar de acuerdo con la carga de la caldera. Para los ventiladores centrífugos, las leyes del ventilador proporcionan una base útil para comprender el efecto de los cambios de velocidad: el flujo de aire cambia aproximadamente con la velocidad, la presión cambia aproximadamente con el cuadrado de la velocidad y la potencia cambia aproximadamente con el cubo de la velocidad.

Esto significa que una reducción relativamente pequeña de la velocidad puede producir una reducción significativa de la potencia del ventilador.

Sin embargo, la selección del VFD también debe considerar el motor, la velocidad mínima de operación, la respuesta del control, los requisitos de arranque, las consideraciones armónicas y la estrategia de control del flujo de aire requerida. No se debe agregar un VFD simplemente porque parezca más eficiente. Es necesario considerar todo el sistema de control de la caldera. ¿Qué sucede cuando el ventilador es de tamaño insuficiente? Un ventilador de tiro forzado de caldera de tamaño insuficiente puede parecer aceptable durante el funcionamiento con carga baja, pero convertirse en un cuello de botella cuando la caldera se acerca a la carga completa.

Los síntomas típicos incluyen:

El ventilador funciona cerca de la velocidad máxima

Incapacidad para lograr el flujo de aire requerido.

Oxígeno bajo en el horno

Combustión inestable

Aumento de CO

Reducción de la producción de vapor.

Mayor consumo de combustible

Caída de presión excesiva en el sistema de aire.

La compuerta permanece completamente abierta

Sin embargo, antes de reemplazar el ventilador, los técnicos deben confirmar que el problema realmente es la capacidad del ventilador. Un filtro sucio, un conducto bloqueado, una compuerta colocada incorrectamente, un precalentador de aire sucio o un quemador modificado pueden aumentar la resistencia del sistema y crear síntomas que parecen un ventilador de tamaño insuficiente.

Ejemplo de caso: caldera de biomasa con flujo de aire insuficiente

Consideremos una caldera de biomasa diseñada originalmente para aproximadamente 15.000 m³/h de aire de combustión. Después de varios años de funcionamiento, la planta cambió a un combustible de biomasa más húmedo.

El operador notó que la caldera ya no podía mantener la condición de combustión anterior con carga alta. La suposición inicial fue que el ventilador del FD se había vuelto demasiado pequeño.

Una inspección del sitio encontró tres condiciones importantes:

El ventilador todavía estaba alcanzando aproximadamente su velocidad de diseño original.

La compuerta de entrada estaba casi completamente abierta.

El nuevo combustible contenía mucha más humedad.

Por lo tanto, el equipo de ingeniería comprobó las necesidades de aire de combustión y la presión del sistema antes de decidirse por un ventilador de repuesto. Esto es importante porque cambiar el combustible puede cambiar las condiciones de combustión requeridas; Es posible que simplemente aumentar el tamaño del ventilador no resuelva el problema del proceso subyacente.

La selección final del ventilador se basó en los requisitos revisados ​​de flujo de aire y presión en lugar de en la clasificación anterior del motor.

El ventilador FD y el ventilador ID deben considerarse juntos

En una caldera de tiro equilibrado, el ventilador FD suministra aire de combustión mientras que el ventilador ID elimina los gases de combustión y ayuda a mantener la presión requerida del horno. Estos dos ventiladores realizan trabajos diferentes pero inciden directamente en el mismo proceso de combustión.

Si el lado FD suministra sustancialmente más aire del que el sistema puede eliminar, la presión del horno puede aumentar. Si el lado interior tira demasiado fuerte en relación con el aire de combustión entrante, se puede desarrollar una presión negativa excesiva.

Por lo tanto, al reemplazar los ventiladores de tiro forzado de la caldera, también es útil verificar el funcionamiento del ventilador ID existente. El nuevo ventilador FD debe ajustarse al rango operativo del sistema completo de control de tiro en lugar de ser evaluado como una pieza aislada del equipo.

La temperatura del aire también afecta la selección del ventilador

La temperatura del aire de combustión debe especificarse antes de seleccionar ventiladores de tiro forzado para caldera.

Si el ventilador maneja aire ambiental, la densidad es diferente a la de un sistema donde el aire ha pasado a través de un precalentador de aire. A medida que aumenta la temperatura del aire, su densidad disminuye, lo que afecta la relación entre el flujo volumétrico, el flujo másico, la presión y la potencia del ventilador.

Por ejemplo, dos sistemas pueden mostrar 20.000 m³/h en papel mientras funcionan a temperaturas del aire sustancialmente diferentes. Por lo tanto, el cálculo de ingeniería necesita establecer la temperatura y presión de operación reales en lugar de tratar el número de volumen como independiente de las condiciones de operación.

Esto resulta especialmente importante en calderas que utilizan precalentadores de aire u otros equipos de recuperación de calor.

Comprobaciones de mantenimiento que no se deben omitir

Incluso un ventilador correctamente seleccionado puede perder rendimiento debido a problemas de mantenimiento. Para los ventiladores de tiro forzado de calderas, la inspección de rutina debe incluir el impulsor, los cojinetes, el eje, el acoplamiento, la corriente del motor, la vibración, la condición de la entrada, la posición de la compuerta y los conductos.

Si el flujo de aire disminuye gradualmente mientras la velocidad del ventilador permanece sin cambios, no aumente la velocidad inmediatamente. Primer control:

Bloqueo del filtro de entrada

Apertura de compuerta

Obstrucción del conducto

Ensuciamiento del impulsor

Estado del rodamiento

Estado de la correa o del acoplamiento

Rotación del ventilador

Presión del sistema

Resistencia del quemador o caja de viento

Un impulsor contaminado con polvo o depósitos puede cambiar la condición aerodinámica y aumentar el desequilibrio. Aumentar la velocidad para compensar puede aumentar la carga mecánica sin resolver el problema original. ¿Qué información se debe enviar a un fabricante de ventiladores? Para una solicitud de cotización que involucre ventiladores de tiro forzado de caldera, una consulta técnica útil debe contener mucho más que la capacidad de la caldera.

Una RFQ práctica puede incluir:

Capacidad de la caldera: 20 TPH

Combustible: Biomasa / carbón / gas natural / petróleo

Caudal de aire necesario: 18.000 m³/h

Presión requerida: 2.200 Pa

Temperatura del aire: 40°C

Altitud: 35m

Frecuencia de funcionamiento: 50 Hz

Tensión del motor: 415 V.

Control: VFD

Instalación: Interior

Rotación: Por confirmar

Dirección de salida: Por confirmar

Si se reemplaza el ventilador existente, las fotografías, la información de la placa de identificación, la curva del ventilador, los datos del motor, las dimensiones del conducto y las medidas operativas reales también son extremadamente útiles.

Cuanto más completos sean los datos de funcionamiento, más fácil será seleccionar ventiladores de tiro forzado para caldera que coincidan con el funcionamiento real de la caldera en lugar de seleccionar un modelo de un catálogo basado únicamente en el flujo de aire nominal.

Consideraciones finales

El objetivo principal de los ventiladores de tiro forzado para calderas es sencillo: proporcionar al sistema de combustión aire estable y controlable a la presión requerida por la caldera. El desafío de ingeniería es hacer que ese flujo de aire esté disponible en todo el rango operativo y al mismo tiempo mantener bajo control la potencia del ventilador, la presión del horno, las condiciones de combustión y la confiabilidad mecánica.

Para un proyecto de caldera nueva, el ventilador debe seleccionarse a partir del cálculo completo de la resistencia del lado del aire. Para un proyecto de reemplazo, los datos operativos reales deben compararse con la curva del ventilador original antes de decidir si el problema es una capacidad insuficiente del ventilador, una mayor resistencia del sistema o un cambio en las condiciones de combustión.

Por lo tanto, un ventilador de tiro forzado para caldera bien seleccionado no es simplemente un ventilador de alto flujo de aire. Es un componente adaptado al combustible de la caldera, al sistema de combustión, a las pérdidas de presión, a la temperatura de funcionamiento, al método de control y al rango de carga esperado. Esto es lo que permite que la caldera mantenga una combustión estable sin desperdiciar innecesariamente la potencia del ventilador.