CONTROL DE PROCESOS FACET UNTTEMA 6 Caso de EstudioCONTROL DE DEPRESIN EN EL HOGAR Y DE TEMPERATURA EN UN HORNOEn la figura se muestra el diagrama P&I correspondiente a un horno de una petroqumica. En estaunidad se calienta un lquido aprovechando el calor liberado en la combustin de un combustibleresidual. Puede suponerse que el fluido solo aumenta su temperatura y que no se producenreacciones qumicas.

FT-1

FC-1

TT-1

TC-1FC-2

FT-2

FY-2

PT-4

PC-4

x

aire combustible

HORNO

humos

a) Para cada variable que se controla: Indicar la/s estrategia/s de control empleadas Determinar los objetivos de las estrategias de control Confeccionar una lista completa de perturbaciones que inciden en el sistema de control. Seleccionar de la accin de vlvulas y controladores. Seleccionar los tipos de controladores que estima ms convenientes (justificar).

b) Construir un diagrama en bloques que considere todos los sistemas de control.

CONTROL DE PROCESOS FACET UNTTEMA 6 Caso de EstudioCONTROL DE DEPRESIN EN EL HOGAR Y DE TEMPERATURA EN UN HORNOA partir del diagrama P&I de la instalacin, se distinguen tres lazos de control que se analizaranindividualmente

Control de la depresin en el hogarLa variable controlada, por feedback, es la depresin en el hogar donde se produce la combustin.La depresin debe mantenerse en forma estricta de manera que no haya fuga de fuegos hacia elexterior del horno y simultneamente minimizar el ingreso de aire fro por las aberturas del hogar.Este lazo de control est relacionado con el balance de materia en el hogar, equilibrando la cantidadde humos que se generan (por reaccin qumica del combustible y el aire) con los que salen. Lavariable manipulada es el caudal de humos evacuados por la chimenea. Las perturbaciones msimportantes son: caudal de aire y caudal de combustible. Por simplicidad se coloca slo una (d) enforma genrica en el diagrama en bloques.

Gc Gv Gp

Gd

Gt

d

PSPP

(-)

FH

El elemento final de control (puede ser un registro actuado neumticamente) debe ser, porseguridad, SAA (KV < 0) para evitar que en caso de corte de suministro de aire, la presin en elinterior del hogar aumente en relacin a la exterior, y cuando el sistema arranque nuevamente,pueda haber transferencia de fuegos hacia el exterior. Cuando se aumenta el caudal de humos que seextrae, la depresin aumenta (KP > 0)El controlador debe ser de accin directa (Kc < 0) de tipo PI ya que se requiere un error de estadoestacionario cero. La accin derivativa sera innecesaria, ya que este lazo se caracteriza por unacapacidad importante y varias menores que permite ajustar el lazo con grandes ganancias, por lopuede esperarse velocidades de respuestas altas.

Control de la temperatura de salida del lquidoSe usa control en cascada para controlar la temperatura del lquido que se calienta, a travs delserpentn del horno, con la energa proveniente de la combustin. La variable manipulada es elcaudal de combustible y las perturbaciones ms importantes son:

Secundarias: presin aguas arriba de la vlvula de combustible Primarias: caudal de lquido a calentar, temperatura de alimentacin del mismo, caudal

y temperatura del aire, temperatura y poder calorfico del combustible.

CONTROL DE PROCESOS FACET UNTTEMA 6 Caso de EstudioCONTROL DE DEPRESIN EN EL HOGAR Y DE TEMPERATURA EN UN HORNOEl uso del control en cascada y no feedback simplemente se apoya en el hecho que la presin aguasarriba de la vlvula vara en forma apreciable y frecuente. Apreciable significa que su cambio tieneuna gran influencia en la variable controlada, la frecuencia se mide respecto de la frecuencia deoscilacin de la variable controlada en relacin a feedback solo.Imaginemos que la variable temperatura tiene un perodo de oscilacin de 10 minutos cuandocualquier perturbacin acta, sin embargo la frecuencia con la que ingresa la perturbacinsecundaria es de 2 min. Esto significa que la variable controlada se pasara todo el tiempo oscilando.Para ilustrar este ejemplo consideremos que baja el caudal de liquido a calentar, entonces elcontrolador (feedback solamente) manda a la vlvula que cierre, en ese momento aumenta la presinaguas arriba de la vlvula y el caudal de combustible es mayor que el pedido por el controlador. Ellazo simple no se restableci de la perturbacin y acta otra que puede ser en sentido contrario de laanterior. Esto muestra porque el feedback no es efectivo.

Gc1 Gc2 Gv Gp2 Gp1

Gd2

Gd1

Gt2

Gt1

P

d1

Fc TSPT

(-)

SP2

Por otra parte se dan todos los requisitos necesarios para control en cascada:

Existe una variable intermedia que puede medirse El lazo interno es un lazo de control de caudal que es mucho ms rpido que el

primario por que la variable controlada es la manipulada y entre el transmisor decaudal y la variable manipulada hay un tramo de caera recta. En el caso del lazoprimario la dinmica es bastante lenta ya que entre que se manipula el combustible ycambia la temperatura a la salida se atraviesan al menos tres grandes capacidadesinteractuantes. Por otra parte el serpentn es un sistema distribuido que tendr asociadoun tiempo muerto que puede ser tambin importante.

Un detalle adicional es que el lazo interno (de caudal), al tener accin integral el controladorsecundario, asegura que el valor de caudal pedido por el controlador primario sea efectivamenteproporcionado por la vlvula. De esta forma se logra obviar el inconveniente de la caracterstica deflujo del elemento final de control (ganancia constante entre SP2 y Fc). El problema de la nolinealidad asociada a la caracterstica de flujo se traslada ahora al lazo interno en donde debera sercompensada.La vlvula de combustible es SAC para asegurar que en caso de falla no se produzca una fuga decombustible con el consiguiente riesgo de explosin o liberacin excesiva de energa.El controlador primario es conveniente que sea PID, ya que se analiz que la dinmica conque serestablece la temperatura de lquido ante una perturbacin es lenta y se necesita que se la controle en

CONTROL DE PROCESOS FACET UNTTEMA 6 Caso de EstudioCONTROL DE DEPRESIN EN EL HOGAR Y DE TEMPERATURA EN UN HORNOun valor exacto. Debe ser inverso ya que si la temperatura aumenta, su salida (set point delcontrolador secundario) debe disminuir para que baje el caudal de combustible.El controlador secundario debera ser PI ya que como el caudal es una variable ruidosa se debenponer valores bajos en Kc con lo que, de no haber accin integral, el error de estado estacionariosera grande. La otra razn es la expuesta antes: la accin integral asegura que el flujo pedido sea elefectivamente liberado (ganancia entre SP2 y Fc constante). La accin debe ser inversa ya que si elcaudal de combustible que se mide baja, la vlvula debe abrir para lo cual la seal que sale delcontrolador secundario debe aumentar.

Control de la relacin aire-combustiblePara quemar en forma eficiente un combustible debe haber un exceso de aire respecto de la cantidadestequiomtrica. En el diagrama P&I del sistema de control cada vez que se manipula el caudal decombustible para restablecer la temperatura del horno, se debe cambiar el caudal de aire en formaproporcional. Esto se logra con un sistema de Control de Relacin.La variable controlada y manipulada es la misma: caudal de aire. La principal perturbacin queexiste es el caudal de combustible que acta a travs de la estacin de relacin fijando el set pointdel controlador. La vlvula es SAA (para asegurar que en caso de falla, se libere aire en exceso y seevite la posibilidad de tener combustible sin quemar y en condiciones explosivas).

Gc1 Gv Gp

Gd

Gt1

pa

FaireSPFa

(-)

Est. deRelac.

Fcom

El controlador es PI por las razones expuestas para el controlador secundario del lazo de control detemperatura y es de accin directa.La funcin de transferencia de la estacin de relacin es simplemente una ganancia que tiene encuenta cul es la relacin aire-combustible y los alcances de los transmisores de caudal decombustible y de aire.