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CAPITULO IV
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
4. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
Están dados por la aplicación de la metodología propuesta por los
autores Savant, Roden y Carpenter (1992), la cuál está estructurada de
las siguientes fases:
4.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
En Enelven “Planta Ramón Laguna”, existen unidades de
generación termoeléctrica que están compuestas por calderas y turbinas
que utilizan sistemas de control para manejar sus variables de procesos.
Dichos sistemas presentan poca confiabilidad en el uso del control
existente, velocidad de respuesta muy lenta e inestabilidad para trabajar
automáticamente. El sistema de control coordinado de caldera y turbina
debe controlar y mantener la salida de megavatios (Mw) de la unidad de
generación automáticamente en un valor predeterminado por el operador
y la presión de vapor de salida de la caldera en un valor constante.
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La señal de control se aplica en paralelo a la turbina y a la caldera
para obtener rápida respuesta de salida de la unidad y conservar su
estabilidad, a la turbina se le asigna la tarea de controlar el flujo de vapor
y a la caldera suministrar vapor y mantener constante la presión de salida.
La señal de megavatios de la unidad puede originarse desde un sistema
de envío automático del centro de control del sistema o puede ser
iniciada por el operador a través del control manual de la estación del
selector maestro de la unidad. La señal de un sistema de envío
automático se recibe en forma de pulsos que debe convertirse en una
señal digital para utilizarla en el sistema de control de la caldera existente
(DCS) Network 90.
Es importante que los sistemas de control coordinado se implanten
cada vez más en la industria eléctrica para mejorar la eficiencia del uso
de los recursos energéticos.
4.2 SUBDIVISIÓN DEL PROBLEMA.
El diseño del sistema de control coordinado de caldera y turbina
se subdividió basándose en las funciones que realiza cada conjunto de
componentes de la siguiente manera:
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- Control maestro de la caldera.
- Control maestro de la turbina.
El primero de ellos, cumple con la función de mantener la presión
de vapor principal o de salida de la caldera en un valor predeterminado
por el operador en el punto de ajuste adecuado, esto lo lleva a cabo
controlando el flujo de combustible y el flujo de aire en la proporción
adecuada para una perfecta combustión dentro de la caldera para todos
los rangos de carga de la unidad.
El control maestro de la turbina, se encarga de mantener la salida
de megavatios del generador en el punto de ajuste que el operador desee,
esto lo realiza controlando el flujo de vapor de entrada a la turbina y
ajustando la posición de las válvulas de control, al mismo tiempo que
mantiene constante la velocidad y frecuencia de la misma. En la medida
que las válvulas de control se posicionan para variar la salida de
megavatios de la unidad, también variara la presión del vapor principal
de la caldera, entrando en funcionamiento el control maestro de la
caldera manteniendo la presión de vapor en el punto de trabajo.
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4.3 DOCUMENTACIÓN NECESARIA
La estructura del sistema de control coordinado Caldera y Turbina
se ha representado dividiéndolo en dos bloques principales lo que facilita
su estudio y análisis, se conforma de la siguiente manera: a) El control
maestro de la caldera, b) El control maestro de la turbina.
a) El control maestro de la caldera a su vez está constituido por los
sistemas de control siguientes:
Sistema de aire de combustión: El aire requerido para la
ignición del combustible dentro del hogar u horno de la caldera RL-13/14
de la Planta Ramón Laguna, es suministrado por un ventilador de tiro
forzado, ver fig. # 1 en donde la descarga de aire del ventilador llega a
dos calentadores de aire antes de entrar al hogar de la caldera, un
calentador de aire a vapor es suministrado para asegurar que el aire que
entra al precalentador este a suficiente temperatura, de modo que el
promedio del lado frío sea mantenido por encima del punto de rocío del
gas de salida. Los gases de salida del hogar son pasados por un lado de
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alta temperatura del precalentador y a través de los ductos colectores
expulsandolos hacia la chimenea.
El flujo de aire es pasado a través de un precalentador
regenerativo con el fin de aumentar su temperatura para una combustión
rápida y eficiente, el mismo es llevado a un ducto principal el cual se
divide en dos niveles, para entregar el aire a los quemadores. Cada ducto
está equipado con una sección de superficie aerodinámica para la
medición de flujo necesaria para el sistema de control de combustión
como se aprecia en la figura # 1.
Los quemadores son del tipo venturi, distribuidos en dos niveles
con tres (3) quemadores en cada uno, cada quemador está equipado con
un registro de aire tipo barril activado por un cilindro neumático usado
para impedir la entrada de aire a los quemadores que no están encendido.
El aire de combustión es tomado de la atmósfera a través de las tomas de
paletas variables del ventilador controladas por un posicionador Bailey
quién es comandado por el sistema de control de combustión. El
ventilador de tiro forzado es del tipo centrífugo, de doble entrada y los
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cojinetes son enfriados por un flujo de agua secundario vigilado por
medio de interruptores de flujo los cuales producirán alarmas en el panel
anunciador de la unidad y en el registrador de eventos cuando se
produzca pérdida de flujo de agua de enfriamiento.
FIGURA No 1
Sistema de aire de combustión
Fuente: C.I Power Services (1981)
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El ventilador está provisto con un interruptor diferencial de
presión el cual lo detiene cuando la diferencia de presión este por debajo
de un mínimo establecido, está baja de presión puede ser causada por
falla del eje o del acoplamiento. La operación de abertura de esté
interruptor causará el disparo de la caldera, la misma también se
disparará si el flujo de aire de combustión se encuentra por debajo del
25% del flujo total, o si la presión en el hogar excede los 28.5 pulgadas
de agua.
Sistema de Combustible: El gas natural es el combustible
utilizado en las calderas RL-13/14 para el encendido y arranque de los
quemadores, el cabezal de gas está instalado de modo que pueda
suministrarse a los pilotos y quemadores simultáneamente como se
muestra en la fig. #2. La presión en el cabezal principal de gas es
mantenida en 50 (psi) por la válvula de control principal y el flujo es
medido por una placa de orificio como elemento primario de medición, la
señal de flujo es usada por el control maestro de la caldera para ejecutar
la operación correspondiente.
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El cabezal principal de gas es reducido a una línea de 8
pulgadas provisto por una válvula operada por solenoide para el disparo
de los quemadores desde el sistema de control de los mismos. Una
válvula de control es usada para la regulación del flujo de gas a los seis
(6) quemadores, la señal de control de ésta válvula viene dada por el
sistema de control maestro de la caldera, la cual actúa de acuerdo a los
cambios de presión de vapor de salida. Los seis (6) quemadores de gas
natural son del tipo venturi y están situados en dos niveles tres (3) por
cada nivel, en cada quemador el gas natural es suministrado por una línea
de (6) seis pulgadas a un cabezal montado circunferencialmente al final
de la salida del quemador ver fig. # 2. La chispa de encendido en el
sistema de ignición es producida eléctricamente por medio de un
transformador de ignición, un electrodo y una tobera de entrada de gas.
El control maestro de la caldera realiza el encendido de los
quemadores automáticamente cuando la presión del cabezal de gas de los
quemadores se encuentra por encima de las 17 psi (libras por pulgadas
cuadradas), manteniendo constante la presión de vapor de salida de la
caldera, esto lo realiza a través de un interruptor de presión, montado en
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el cabezal de gas de los quemadores, el orden de encendido y apagado de
los quemadores es colocado por el operador en la consola de control.
FIGURA No 2
Sistema de Gas Combustible
Fuente: C.I Power Services (1981)
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Para el apagado automático de los quemadores el control
maestro lo realiza cuando la presión del cabezal de gas de los
quemadores cae por debajo de los 5 psi, el trabajo lo realiza por medio de
otro interruptor de presión conectado en el cabezal de gas de los
quemadores.
b) El control maestro de la turbina se divide en los sistemas de
control siguientes:
Sistema de Gobernación de Velocidad: Son mecanismos
utilizados para variar automáticamente la entrada de vapor a las turbinas
RL-13/14, en respuesta a los cambios en la velocidad del sistema. Un
elemento sensor, usualmente conocido como esferas de Watson responde
a los cambios en la velocidad y opera a través de un servo amplificador
apropiado para ajustar la entrada de vapor hasta que se detenga la
aceleración o deasceleración de la turbina.
Un sistema de gobernación de velocidad, como el de la fig. 4.1
está equipado además con un medio suplementario cambiador de
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velocidad, el cual consiste en un mecanismo motorizado M que sube o
baja el punto pivote f de la palanca que une el sensor de velocidad a las
válvulas de entrada a la turbina T, un cambio de posición hacia arriba del
punto pivote f resulta en una entrada mayor de vapor a la turbina y por lo
tanto en una salida de megavatios mayor en el generador G para la
misma frecuencia. El sensor de velocidad permite cambiar la salida de
megavatios en respuesta a las variaciones de velocidad ocasionadas por
las variaciones de carga del sistema.
Figura 3
Sistema de control de velocidad
Fuente: Avallone G. (1987)
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Sistema de regulación de carga: La señal de megavatios de
las unidades RL-13/14 puede originarse desde un sistema de envío
automático o puede ser iniciada por el operador a través del control
maestro de la turbina. La señal desde un sistema de envío automático es
transmitida en forma de pulsos de control por la unidad terminal remota
desde el centro de control del sistema (caujarito) y recibida por el
sistema regulador quién se encarga de ejecutar la orden de control
actuando sobre las válvulas de control de la turbina para modificar el
flujo de vapor y la salida de megavatios de la unidad.
Desde el control maestro de la turbina el operador también
puede modificar la salida de megavatios de la unidad subiendo o bajando
el punto de ajuste para variar el flujo de vapor de entrada a la turbina y la
salida de potencia del generador.
4.4 CONSTRUCCIÓN DE ALTERNATIVAS
En esta sección se explica detalladamente como está estructurado
el sistema de control coordinado Caldera y turbina, describiendo su
filosofía de operación, el mismo consta de las siguientes partes.
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4.4.1. DIAGRAMA DE FLUJO DE LA LÓGICA D E
ENCENDIDO Y APAGADO AUTOMÁTICO DE LOS
QUEMADORES.
El mismo consta de un diagrama de flujo donde se muestra
y especifica claramente todos los pasos y condiciones necesarias que
debe contener la lógica de control para el encendido y apagado
automático de los quemadores de las calderas RL-13/14.
En términos generales el sistema automático de encendido
y apagado de los quemadores representado por el diagrama de flujo de la
fig. 4, está diseñado para apagar y enceder los quemadores
automáticamente que han sido seleccionados por el operador en la
consola de control, luego que ha sido colocado en servicio el sistema
automático de quemadores, estando por lo menos un quemador
encendido o en servicio, además de estar presente los permisivos
satisfechos del cabezal de gas de los quemadores manejando en
automático la válvula de control de gas y el control de flujo de aire.
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FIGURA No 4
Diagrama de flujo de la lógica de encendido y apagado automático de los quemadores
Fuente: Elaboración Propia (1999)
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4.4.2 DIAGRAMAS LÓGICOS DEL SISTEMA DE
CONTROL COORDINADO DE CALDERA Y TURBINA.
En cada uno de estos diagramas se observa el uso de
funciones específicas y lógicas booleanas, ya que la mayoría de estas
estrategias en el diseño del sistema de Control Coordinado cumplen con
la tarea de efectuar la mejor repuesta para cada caso en los posibles
rangos de entradas, los diagramas fueron realizados en el programa
CIRCUITMAKER para Windows donde las entradas de los circuitos
lógicos están representadas por las iniciales EN y las salidas
representadas por SAL como se muestra en el Anexo N°1.
4.4.3 DIAGRAMAS DEL CONTROL MAESTRO DE LA
CALDERA Y TURBINA.
En estos diagramas se muestra el diseño de los sistemas de
control maestro de la caldera y turbina, además se pueden apreciar las
variables medidas necesarias para el funcionamiento del sistema de
control, el punto de ajuste y los bloques de control proporcional
derivativo e integrativo.
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En el control maestro de la turbina, la variable medida
megavatios es tomada por un transmisor quién convierte la señal en un
valor medible para poder ser procesada por el sistema, la señal controla
una o más variables manipuladas, como en la figura n° 5, un error se
desarrolla debido a la diferencia entre el punto de ajuste y las señales de
medición de la variable. El controlador 3,2 aplica acción proporcional
más integral a la señal de error, combinando la variable de medición
igual al punto de ajuste.
En el control de elemento simple, la repuesta de corrección
puede ser lenta, y puede existir un error en algún tiempo antes de
experimentar una repuesta. Este tipo de control es utilizado solo en
aplicaciones donde los cambios de carga ni son rápidos ni largos, y donde
estén los procesos con perturbaciones, requiriendo cambio de la variable
manipulada para mantener la variable de medición al punto de ajuste.
El punto de ajuste es colocado por el operador en la estación
del control maestro de la turbina para llevar la salida de megavatios de la
unidad al valor requerido por el sistema.
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FIGURA N° 5
DIAGRAMA DEL CONTROL MAESTRO DE LA TURBINA
MEGAVATIOS
2,2 PUNTO DE AJUSTE 3,2 3, 4,2 5,2 HACIA LAS VÁLVULAS DE CONTROL DE LA TURBINA
Fuente: Elaboración Propia (1999)
K ∫∫∫∫
A T
F ( X )
A
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El control maestro de la caldera es un control de
retroalimentación en cascada, el mismo tiene retroalimentación con tres
elementos flujo de gas (variable secundaria) y flujo de aire (tercera
variable), adicionadas para minimizar los efectos de interrupciones en el
proceso. En la figura n° 6 presentada, la suma del error de la variable
primaria y las señales del índice de retroalimentación en el controlador
4,2 establece el punto de ajuste para la variable secundaria.
El controlador 3,2 aplica acción proporcional e integral a la
diferencia entre la variable primaria y su punto de ajuste, para manipular
la variable manejando la retroalimentación en cascada quién provee
mejor funcionamiento por la estabilidad de la conexión con repuesta de
compensación rápida para interrupciones de procesos.
La señales de salidas (fx) controlan la apertura y cierre de la
válvula de control de gas y del ventilador para ajustar la presión en el
cabezal de gas y el flujo de aire dependiendo de los requerimientos de
carga de la unidad.
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FIGURA N° 6
DIAGRAMA DEL CONTROL MAESTRO DE LA CALDERA
PRESIÓN DE VAPOR FLUJO DE GAS FLUJO DE AIRE
DE LA CALDERA 2,2 PUNTO DE AJUSTE 3,2 4,2 5,2 6,2 CONTROL VÁLVULA CONTROL DEL DE GAS VENTILADOR
Fuente: Elaboración Propia (1999)
A
K ∫∫∫∫
F ( X )
K
∑∑∑∑
F ( X )
K
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4.5 FINALIZACIÓN DEL DISEÑO Esta fase se refiere a las pruebas de simulación realizadas al
diseño de la lógica digital del sistema de control coordinado en un
programa de simulación, para constatar que el mismo funciona a
cabalidad, satisfaciendo los requerimientos determinados.
Las pruebas de simulación, se realizaron en el programa
CircuitMaker bajo Windows, ya que se trata de un programa avanzado y
de fácil manejo que permite construir el diseño de toda la lógica digital
del sistema de control para obtener una repuesta deseada. El
funcionamiento de los circuitos digitales construidos se realiza
manipulando o forzando dentro del programa las señales de entradas a
los mismos, para semejar que son las señales de entrada digitales
provenientes del sistema de control actual de quemadores de las calderas
RL-13/14 que son completamente adaptable a los circuitos digitales
diseñados.
Esta manipulación de las entradas se hizo para poder obtener las
salidas digitales en el programa, correspondientes al diseño realizado
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comprobando su funcionalidad y adaptación al sistema de control
distribuido de quemadores Network 90 de las calderas RL-13/14.
Es de hacer notar que el diseño cumple con las expectativas que se
tenían del sistema de control coordinado, y una vez implantado permitirá
corregir las fallas existentes en los sistemas de control actuales de las
calderas y turbinas de la Planta Ramón Laguna.
4.6 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
Los resultados obtenidos están representados por el diseño de un
sistema de control coordinado de Caldera y Turbina en las unidades de
generación RL-13/14 de la planta Ramón Laguna. El mismo funciona
controlando la salida de megavatios de la unidad de generación
automáticamente en un valor predeterminado, al mismo tiempo que
mantiene constante la presión de vapor de salida de la caldera.
En el diseño del sistema se prestó especial atención a la teoría de
sistemas de control, donde la característica principal es la mínima
intervención del hombre en la ejecución del mismo, Ogata K.
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(1993). Para el logro del mismo se ejecutaron todas las fases del método
para diseñar sistemas por Savant, Roden y Carpenter (1992), las cuales
al ejecutarse en su respectivo orden conllevaron al logro del objetivo.
Esté proyecto está constituido de dos bloques principales: el
control maestro de la caldera, quien cumple con la función de mantener
la presión de vapor principal o de salida de la caldera en un valor
ajustado por el operador, ejerciendo control proporcional y derivativo en
el control del ventilador y en la válvula de gas combustible, para
controlar el flujo de combustible y aire automáticamente en la proporción
adecuada para una perfecta combustión en la caldera, dentro del control
maestro de caldera se diseñó la lógica de control que opera el encendido
y apagado automático de los quemadores.
El segundo bloque diseñado es el control maestro de la turbina,
que se encarga de mantener la salida de megavatios del generador en el
punto de ajuste que el operador desee, aplicando una acción de control
proporcional, derivativa e integrativa en la válvula de control de la
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turbina para controlar el flujo de vapor de entrada a la misma,
manteniendo constante la velocidad y frecuencia.
El diseño del sistema de control coordinado de caldera y turbina
fue desarrollado en forma estructurada de acuerdo a las necesidades de la
empresa, los requerimientos de los operadores del sistema y los recursos
disponibles.