AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA
Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, Vol. XXI, No.2, 2000
Sistema de control automático integral de generadores de vapor pirotubulares R. Ri vas; vas; R. Ar A r ef; E . Cé sar y J. J . I nga Depar tamento de Au tomática y Compu tación, F acul tad de I ngeni ería E lé ctr ica, I nstit uto Superi or Poli té cni co J oséAn toni o E cheverría (I SPJAE ), Ciudad de La Habana, Cuba
RESUMEN / ABSTRACT Se propone un sistema de control automático integral de los generadores de vapor basado en autómatas programables, el cual considera los siguientes tres subsistemas: subsistema de preparación del combustible, subsistema de tratamiento del agua de alimentación y subsistema de generación de vapor. Se describe la estrategia de control para cada subsistema, poniendo especial énfasis en el subsistema de generación de vapor. Palabras claves: control automático de calderas, modelo matemático de caldera, control de procesos, controladores lógico programables, control control de presión, presión, control programado.
In the work an automatic control integral system of the steam generators based on programmable logic controller is proposed, which considers the following three subsystems: fuel preparation subsystem, feeding water treatment subsystem and steam generation subsystem. The control strategy is described for each subsystem, putting special emphasis in the steam generation subsy stem. Key words: automatic control of boilers, boiler mathematics model, process control, programmable logic controllers, pressure control, programming control.
Recibido: Enero del 2000
Aprobado: Febrero del 2000
INTRODUCCIÓN El vapor ha sido durante siglos un medio para la calefacción y (o) para la obtención de energía mecánica a través de la conversión de la energía calórica de los combustibles fósiles del planeta. Esta fuente de energía ha tenido un amplio uso y en la actualidad es difícil que exista una industria donde no se utilice. Sin embargo, debido al creciente déficit que presentan en la actualidad los recursos energéticos no renovables, poseen una significativa importancia los trabajos encaminados a lograr un uso racional y eficiente de dichos recursos.1 La forma más común de producir vapor es a partir de los generadores de vapor (calderas). Un generador de vapor es un
equipo capaz de transformar en energía térmica, la energía contenida en los combustibles fósiles mediante su combustión y transferirla al agua para generar vapor, el cual en lo adelante se utilizará como tal o como sustancia de trabajo en otros equipos o procesos. proce sos. 2 Los generadores de vapor se subdividen en dos grandes grupos: los de tubos de fuego o pirotubulares y los de tubos de agua o aereotubulares.3 En la figura 1 se presenta un diagrama tecnológico de un generador de vapor pirotubular. pirotubular. Indiscutiblemente, en todo el sector industrial resulta indispensable la explotación de los generadores de vapor de forma eficiente, pues ello implica implica un ahorro significativo significativo de combustible, el cual al ser un recurso no renovable presenta precios elevados elevados en el mercado mercado internacional. internacional.4
Figura 1 Diagrama tecnológico de un generador de vapor pirotubular.
La explotación eficiente de los generadores de vapor es imposible de lograr sin la aplicación de una correcta estrategia de control automático, la cual además posibilita aumentar la fiabilidad y seguridad en el funcionamiento de estos equipos.5,6 Actualmente, los generadores de vapor presentan un determinado nivel de automatización, sin embargo, como regla en los mismos se controlan los procesos asociados al régimen de combustión (presión, nivel, flujo de vapor, relación aire combustible, temperatura del vapor producido, temperatura de los gases producto de la combustión, etcétera).7 Es necesario destacar, que para lograr una alta eficiencia y fiabilidad en la explotación de los generadores de vapor resulta imprescindible desarrollar un control integral de todos los procesos asociados a la generación de vapor, entre los que se encuentran los procesos de preparación del combustible, generación de vapor y tratamiento de agua.8 Considerando, la amplia aplicación que han encontrado los generadores de vapor pirotubulares no solo en el sector ind ustrial, sino además en hoteles, hospitales, centros turísticos, etcétera y la necesidad de aumentar su eficiencia energética y fiabilidad en la explotación, en el presente trabajo se propone un sistema de control automático integral de estos basado en la aplicación de un autómata programable. La selección de los autómatas programables como medios efectivos de control automático de los procesos tecnológicos que tienen lugar en los generadores de vapor se fundamenta en las diversas ventajas que estos presentan. Estos dispositivos además de poseer una elevada fiabilidad y robustez permiten el desarrollo de sistemas de control lógico-secuenciales, así como
de sistemas de control retroalimentados clásicos y avanzados (control en cascada múltiple, control anticipatorio, control adaptativo, control inteligente aplicando lógica borrosa, etcétera). Además, los mismos están preparados para trabajar en ambientes industriales caracterizados por presentar ruido, suciedad, elevadas temperaturas, alto nivel de humedad, etcétera.2
ESTRATEGIA PARA EL CONTROL AUTOMÁTICO INTEGRAL DE GENERADORES DE VAPOR PIROTUBULARES En la figura 2 se muestra el diagrama en bloques simplificado del sistema de control automático integral de generadores de vapor pirotubulares basado en el autómata programable que se propone, el cual presenta los siguientes tres subsistemas: • Subsistema de preparación del combustible; • Subsistema de tratamiento del agua de alimentación. • Subsistema de generación de vapor.
SUBSISTEMA DE PREPARACIÓN DEL COMBUSTIBLE Este subsistema tiene como objetivo fundamental garantizar que el combustible llegue al quemador de los generadores de vapor con la presión y temperatura requerida. Esta es una condición importante para la explotación eficiente de estos equipos, la cual en múltiples ocasiones no se cumple con el debido rigor, ocasionando diferentes averías en los quemadores. Las principales variables que se controlan mediante el autómata programable en este subsistema son: • Presión en la línea de combustible.
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de vapor comienza a producir vapor, el autómata programable desconecta el calentador eléctrico y a partir de este momento calienta el combustible con el calentador de vapor (CV) situado en el tanque de diario. Esta operación garantiza un ahorro significativo de energía eléctrica. Antes de desconectar el calentador eléctrico, el autómata programable comprueba si la caldera presenta la presión de vapor necesaria para calentar el combustible adecuadamente.
• Temperatura en el tanque de alimentación de combustible. • Nivel en los tanques de alimentación de combustible. • Relación agua-combustible (emulsión). En la figura 3 se muestra el diagrama de flujo de este subsistema, así como la instrumentación requerida para la medición y control de las variables antes señaladas. Inicialmente el combustible se calienta con el calentador eléctrico situado en la línea de alimentación. Cuando el generador
Figura 2 Diagrama de bloques simplificado del sistema de control automático integral de generadores de vapor de tubos de fuego basado en autómata programable.
Figura 3 Diagrama de flujo del subsistema de preparación del combustible.
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SUBSISTEMAS DE TRATAMIENTO DEL AGUA DEALIMENTACIÓN
El emulsor realiza la operación de agre garle al combustible una cierta cantidad de agua con el objetivo de aumentar la brillantez de la llama del quemador (lum inosidad), mejorar la pulv eriz ación o atom izac ión del combust ible y redu cir la viscosidad de este. Cuando el combustible está muy viscoso tiende a ensuciar u obstruir la boquilla del quemador. Esto permite disminuir el esfuerzo que deben realizar las bombas para mover el combustible por las tuberías, elevar la vida útil de dichas bombas y reducir su consumo energético por concepto de sobrecarga, lo que representa un aumento en la eficiencia del proceso de combustión.1,10 Considerando que durante la emulsión, la cantidad de agua que se le debe agregar al combustible debe ser debidamente regulada, pues una mayor cantidad de agua que la requerida ocasiona serios problemas en la combustión, el autómata programable controla la relación agua-combustible, lo que permite obtener una adecuada mezcla de los flujos de agua y de combustible. Teniendo en cuenta, que para la explotación eficiente de los quemadores de esta clase de generadores de vapor es necesario mantener en la línea de alimentación del combustible una presión estabilizada de aproximadamente dos atmósferas, el autómata programable controla la presión del combustible en dicha línea con ley de control PID.
El agua a introducir en la caldera para ser convertida en vapor debe ser debidamente tratada para evitar los siguientes problemas de operación, provocados por las condiciones de elevada presión y temperatura a las que se produce este proceso de transferencia de calor:1,2 • Incrustaciones en las tuberías, lo que ocasiona una considerable disminución de la superficie de transferencia de calor, perdiéndose eficiencia en el proceso. • Aumento de la resistencia calórica de las paredes de las tuberías, lo que puede provocar deformaciones en las partes afectadas. • Deposiciones de sólidos, lo cual origina constantes purgas (con las pérdidas de energía que estas ocasionan), así como paradas frecuentes para la limpieza del cuerpo del generador de vapor. • Obstrucciones en las tuberías, lo cual provoca sobrepresión en la línea y por tanto puede ocurrir la destrucción de estas, con las graves consecuencias que trae consigo este problema, no solo para el equipo sino también para los operadores. Las variables que se controlan en este subsistema son: • Conductividad del agua. • Nivel en los tanques de alimentación de agua. • Temperatura del agua de alimentación. En la figura 4 se muestra el diagrama de flujo de este subsistema, así como la instrumentación requerida para la medición y control de las variables señaladas.
Figura 4 Diagrama de flujo del subsistema de tratamiento de agua.
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• Sensor-transmisor de flujo de vapor (FT), situado en la línea
Para realizar un adecuado control sobre la calidad del agua que se introduce en la caldera, se desarrolla de forma automática la regeneración y contralavado de la resina encargada de suavizar el agua de alimentación, considerando que estas operaciones presentan un carácter lógico-secuencial y las ventajas que ofrecen los autómatas programables para ejecutar este tipo de operaciones. Para ello se propone la instalación de un sensor-transmisor de dureza del agua (DT) a la salida de los tanques de resina, así como una serie de válvulas solenoides (on-off ) para dirigir el recorrido del agua a través de este subsistema en correspondencia con las secuencias de control que desarrolla el autómata programable. Con el objetivo de aumentar la eficiencia energética de la caldera es de gran importancia alimentar el generador de vapor con agua a determinada temperatura, aproximadamente entre 60-80 ºC (preferiblemente 80 ºC). Esto implica que para convertir esta agua en vapor se necesite una menor cantidad de calor. En este subsistema se considera que la temperatura del agua de alimentación no debe exceder los límites establecidos (60-80 ºC), pues de excederse se elev arían las pérdida s de energía en la s tuberías no aisladas y las bombas de agua sufrirían un elevado calentamiento para el cual no están preparadas, lo que trae consigo una reducción del tiempo de vida útil de estos equipos. 1 Para cumplir con este objetivo, el autómata programable controla la temperatura en el tanque de agua de alimentación, con ley de control on-off.
de salida del vapor (con el objetivo de conocer el flujo real de vapor que produce la caldera). • Sensor-transmisor de presión diferencial (PDT), ubicado en la línea de alimentación del combustible (con la finalidad de medir el flujo de combustible que llega al quemador). • Sensor-transmisor de opacidad (tonalidad) de los gases producto de la combustión (OT). • Sensor de nivel de cuatro posiciones (Mobrey), situado en el cuerpo del generador de vapor (LTC). • Elementos que apoyan el funcionamiento del quemador (termostato, presostatos (PS), etcétera). • Bombas de agua de alimentación (BA1 y BA2). El sensor de nivel se encarga de determinar los cuatro niveles significativos en la operación del generador de vapor (nivel alto, nivel mínimo, nivel bajo y nivel extremadamente bajo). El autómata programable acciona la alarma visual y sonora cuando el nivel del agua en el cuerpo del generador de vapor obtiene su valor mínimo, desconecta las bombas que alimentan de agua a la caldera en el caso de nivel bajo y detiene el funcionamiento del generador de vapor cuando se alcanzan los niveles alto y extremadamente bajo, en correspondencia con las normas vigentes en cuanto a operación segura de generadores de vapor. La relación aire-combustible es otra de las variables que pre sen ta una ele vad a import anc ia en la eficie nci a de los generadores de vapor, pues si dicha relación está desajustada se origina una combustión ineficiente. Esta relación puede varia r en dependencia de diversos factores entre los que se encuentran: la temperatura y humedad del aire, la viscosidad, composición química y temperatura del combustible, etcétera. Es evidente que mantener la relación aire-combustible en un valor apropiado presenta una gran importancia para garantizar un funcionamiento eficiente de la caldera. Otro elemento que presenta una significativa importanc ia en la eficiencia de los generadores de vapor debido a que posibilita evaluar la calidad de la combustión es la opacidad (tonalidad) de los gases producto de la combustión (humo), los cuales se evacuan por la chimenea. Si los gases de escape presentan un tono muy oscuro, existe exceso de c ombustible y la combustión en este caso es incompleta e ineficiente. Si por el contrario, los gases de escape presentan un color muy blanco, existe exceso de aire lo que implica que los gases circulen por los tubos con mayor velocidad empeorando el proceso de transferencia de calor y ocasionando una disminución de la eficiencia en la combustión.1,4 En la figura 6 se muestra el diagrama de bloques del sistema de control de la presión en el cuerpo del generador de vapor, el cual se encuentra conformado por los siguientes lazos de control que se desarrollan sobre la base del autómata programable: • Lazo de control de la presión en el cuerpo de la caldera. • Lazo de control de la relación aire/combustible. • Lazo de control de la opacidad de los gases de escape.
SUBSISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR Este subsistema constituye el elemento clave para la obtención de una elevada eficiencia energética del generador de vapor (GV). Una mejora en este subsistema presenta una repercusión más significativa sobre la eficiencia de la caldera que en el resto de los subsistemas, lográndose una mejor relación costo-eficiencia. En la figura 5 se muestra el diagrama de flujo de este subsistema. La automatización de este subsistema se desarrolla sobre la base de los siguientes aspectos: 1. La operación del quemador en régimen casi continuo. 2. Ajuste constante de la relación aire-combustible. Las principales variables que se controlan en este subsistema son: • Presión en el cuerpo del generador de vapor. • Flujo de combustible a la entrada del generador de vapor. • Nivel en el cuerpo del generador de vapor. • Opacidad y temperatura de los gases de escape. Este subsistema está conformado por los siguientes elementos: • Quemador con sus diferentes accesorios (bomba de segundo impulso (BSI), regulador de presión, calentador de combustible del quemador (CQ), ventilador de tiro forzado (VTF), clapetas, válvula, etcétera). • Sensor-transmisor de presión (PT), ubicado en el cuerpo del generador de vapor. • Sensor-transmisor de temperatura (TT), situado en la chimenea (permite medir la temperatura de los gases de escape).
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Figura 5 Diagrama de flujo del subsistema de generación de vapor.
Figura 6 Diagrama en bloques del sistema de control de la presión en el cuerpo del generador de vapor.
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Esto posibilita regular el flujo de aire no solo en correspondencia con la cantidad de combustible que entra al quemador sino además con la opacidad de los gases de escape, lo que mejora significativamente el proceso de combustión y por ende la eficiencia energética de la caldera.
El principio de funcionamiento del sistema de control de la presión en el cuerpo del generador de vapor es el siguiente: el sensor-transmisor de presión realiza la medición de la presión en el cuerpo del generador de vapor y en correspondencia con el valor de presión obtenido, el autómata programable decide si se debe de variar el flujo de combustible que entra al quemador. Este accionamiento se encuentra en correspondencia directa con la fluctuación de la demanda de vapor de los equipos y dispositivos tecnológicos que se alimentan del generador de vapor, lo que a su vez se encuentra asociado a la diferencia de presión entre la presión de referencia y la presión en el cuerpo de la caldera (señal de error de presión). En correspondencia con la cantidad de combustible que entró al quemador, el autómata programable determina el flujo de aire necesario para obtener una correcta combustión. Para el control de la relación aire-combustible se emplean las señales de flujo de combustible, flujo de aire y de opacidad de los gases producto de la combustión. La señal de salida del controlador PI de opacidad de los gases es utilizada por el autómata programable como señal correctora de la relación airecombustible, pues como se señaló anteriormente, la tonalidad más clara o más oscura de estos gases está directamente relacionada con la calidad de la combustión.
PARTE EXPERIMENTAL Se realizaron trabajos de simulación en MATLAB del sistema de control de la presión en el cuerpo del generador de vapor considerando las perturbaciones reales que actúan sobre dicho sistema. En la figura 7 se presenta el diagrama en bloques en Simulink del sistema representado en la figura 6, el cual fue construido sobre la base de datos experimentales obtenidos en una caldera industrial mediante la aplicación de métodos de identificación. 4,11,12 En las figuras 8, 9, 10 se muestran los resultados de la simulación del sistema de control de la presión en el cuerpo del gen erador de vapor representado en la figura 7. En la figura 8 se presentan los resultados de la simulación de la variación de la presión en el cuerpo del generador de vapor, la figura 9 muestra los resultados de la simulación de la variación del flujo de aire a la entrada del quemador del generador de vapor, en correspondencia con la variación del combustible y en la figura 10 se ofrecen los
Figura 7 Diagrama en bloques en SIMULINK del sistema de control de la presión en el cuerpo del generador de vapor.
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resultados de la variación de la opacidad de los gases producto d e la c ombustión. Esto s resultados muestran qu e el sistema diseñado presenta un buen comportamiento dinámico, lo que implica que su aplicación en la práctica posi bilite m ejor ar s ig nificativa mente la ef icienc ia d e es ta clase de equipos. 11,13 Sin lugar a dudas, el control eficiente del subsistema de generación de vapor posibilita que el quemador no se desajuste con facilidad, lo que aumenta el rendimiento de estos equipos, alargando la vida útil de los mismos y disminuyendo la producción de sustancias tóxicas tales como monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO2), etcétera. Estas sustancias además de provocar daños en la caldera (específicamente el SO2), ocasionan la producción de ácido sulfúrico, el cual reacciona con las paredes de los tubos ocasionando daños en los mismos y produciendo además contaminación ambiental. La automatización de este subsistema reduce al mínimo los transitorios y el error dinámico en el paso de alto a bajo fuego y viceversa. Se realizaron trabajos de ajuste de los controladores PID de los lazos de control propuestos aplicando métodos de ajuste experimental, 13 así como trabajos de simulación fuera de línea de los algoritmos desarrollados de control lógico-secuencial de los tres subsistemas propuestos, empleando el programa de comunicación entre el autómata programable y la microcomputadora que estos equipos poseen,9 obteniéndose resultados satisfactorios.
Figura 8 Variación de la presión del vapor en el cuerpo del generador de vapor (GV)
CONCLUSIONES • Se propone un sistema de control automático integral basad o en un autómata programable de gen erado res de vapor pirotu bu lares, e l cu al pr esen ta tres sub sistemas fundamentales y permite obtener un control efectivo de estos equipos. • La simulación fuera de línea de los algoritmos de control lógico-secuencial propuestos aplicando el programa de comunicación entre el autómata programable y la microcomputadora que poseen estos equipos evidenció la efectividad de dichos algoritmos. • La simulación en MATLAB del sistema de control de la presión en el cuerpo de la caldera demo stró que dicho sistema presenta un b uen comp ortamient o dinámico, lo q ue implica que su aplicación en la práctica posibilite mejorar significativamente la eficiencia de esta clase de equipos. • El sistema de control automático propuesto posibilita obtener un significativo ahorro energético al lograr una estricta correspondencia entre la producción y el consumo de vapor, así como una mayor fiabilidad en la explotación de esta clase de generadores de vapor.
Figura 9 Variación del flujo de aire a la entrada del quemador del GV.
R ECONOCIMIENTOS Los autores agradecen el soporte financiero obtenido de la Dirección del ISPJAE, sin el cual este trabajo hubiese sido muy difícil realizar.
Figura 10 Variación de la opacidad de los gases producto de la combustión del GV
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AUTORES Raúl Rivas Pérez Ingeniero Electricista, Doctor en Ciencias Técnicas; Investigador Titular. Correo electrónico:
[email protected]
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Ingeniero en Automática, Aspirante a la Maestría en Automática
Eugenio César Sánchez Ingeniero Electricista, Profesor Auxiliar Correo electrónico:
[email protected]
José Inga Castro Ingeniero Electrónico, Master en Ciencias, Profesor Auxiliar
Vol. XXI, No. 2, 2000
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