automatizacion de una caldera de tubos de fuego
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Documentos del II Congreso Boliviano de Ing. Mecanica Electromecanica, Realizado el 2005 en Oruro-BoliviaTRANSCRIPT
AutomatizaciAutomatizacióón de n de una caldera de tubos una caldera de tubos
de fuegode fuego
Universidad San Francisco XavierUniversidad San Francisco XavierFacultad de TecnologFacultad de TecnologííaaCarrera de Ing. MecCarrera de Ing. Mecáánica, Elnica, Elééctrica y Electromec.ctrica y Electromec.
GermGermáán Palacios n Palacios MarquezMarquez
¿¿QuQuéé es una es una caldera de caldera de
vapor?vapor?
ASPECTO FASPECTO FÍÍSICO DE UNA SICO DE UNA CALDERA DE VAPORCALDERA DE VAPOR
CALDERA DE VAPORCALDERA DE VAPOR
Es un recipiente Es un recipiente cerrado destinado a cerrado destinado a
la produccila produccióón de n de vapor de agua a una vapor de agua a una presipresióón mayor que n mayor que
la atmosfla atmosféérica.rica.
Partes de una Partes de una caldera de vaporcaldera de vapor
Chimenea
Gas de Combustión
Compuerta
Tubos de fuego
Llama
Hogar GasesQuemador
Fig. 2.2 Esquema de una caldera de tubos de fuego, tipo escocés marino.
Caja de humos
Partes de una caldera de vaporPartes de una caldera de vapor
nnHogarHogarnnLa caldera propiamente dichaLa caldera propiamente dichannCCáámara de vapormara de vapornnCCáámara de aguamara de aguannTubos de humos o de fuegoTubos de humos o de fuego
Tubos de humos o de fuegoTubos de humos o de fuego
Calderas de vapor de tubos de Calderas de vapor de tubos de fuegofuego
nnSon las mas usadas en plantas Son las mas usadas en plantas industriales pequeindustriales pequeññas y comercios, as y comercios, debido a que son:debido a que son:
nnCompactasCompactasnnEconEconóómicasmicasnnConfiablesConfiables
CaracterCaracteríísticassticasnn Por lo general son de dos pasosPor lo general son de dos pasosnn Los gases de combustiLos gases de combustióón pasan por el interior de n pasan por el interior de
los tubos y el agua circula por el lado exterior.los tubos y el agua circula por el lado exterior.nn El cuerpo de la caldera, esta formado por un cuerpo El cuerpo de la caldera, esta formado por un cuerpo
cilcilííndrico de disposicindrico de disposicióón horizontal, incorpora n horizontal, incorpora interiormente un paquete interiormente un paquete multivalbularmultivalbular de de transmisitransmisióón de calor y una cn de calor y una cáámara superior de mara superior de formaciformacióón y acumulacin y acumulacióón de vapor.n de vapor.
nn Son de pequeSon de pequeññas capacidades de produccias capacidades de produccióón de n de vapor, podrvapor, podríía llegar hasta 5.8 MWa llegar hasta 5.8 MW
Caldera de 4 pasosCaldera de 4 pasos
Aplicaciones mas frecuentesAplicaciones mas frecuentes
nnEn todos los procesos industriales y En todos los procesos industriales y comerciales donde no se requiere muy comerciales donde no se requiere muy altas presiones de vaporaltas presiones de vapor
nnComedoresComedoresnnHotelesHotelesnnHospitalesHospitalesnnSaunasSaunasnnEmbotelladorasEmbotelladoras
Es necesario el control Es necesario el control automautomáático en una tico en una caldera de vapor?caldera de vapor?
La caldera de vapor como La caldera de vapor como objeto del control automobjeto del control automááticotico
nnEs un sistema muy complejoEs un sistema muy complejonnTiene muchos componentes, los cuales Tiene muchos componentes, los cuales
deben trabajar de forma coordinadadeben trabajar de forma coordinadannManeja dos fases de flujo, vapor y aguaManeja dos fases de flujo, vapor y agua
El control automEl control automáático debe tico debe garantizargarantizar
nn La seguridad de La seguridad de operacioperacióónn
nn Mejorar la eficiencia Mejorar la eficiencia de operacide operacióónn
nn Maneja dos fases de Maneja dos fases de flujo, vapor y aguaflujo, vapor y agua
En la automatizaciEn la automatizacióón de n de una caldera de vapor una caldera de vapor
intervienen los dos tipos intervienen los dos tipos de control?de control?
Control Control RegulatorioRegulatorioControl lControl lóógico secuencialgico secuencial
Control lControl lóógico secuencial o gico secuencial o control ON/OFFcontrol ON/OFF
Objetivo:Objetivo:
Detener o prevenir una Detener o prevenir una condicicondicióón insegura n insegura de operacide operacióónn
Control lControl lóógico secuencial o gico secuencial o control ON/control ON/OFF(contOFF(cont.).)
nnAlta o baja presiAlta o baja presióón en la calderan en la calderannAlta o baja temperatura del vaporAlta o baja temperatura del vapornnCondiciones de fallo de llamaCondiciones de fallo de llamannAlto o bajo nivel de agua en la calderaAlto o bajo nivel de agua en la caldera
Variables tVariables tíípicas que monitorea este tipo picas que monitorea este tipo de control:de control:
Control Control regulatorioregulatorio o control o control de operacide operacióónn
Objetivo:Objetivo:
Mantener en valores preestablecidos Mantener en valores preestablecidos (fijos) las variables de salida de la (fijos) las variables de salida de la caldera de vaporcaldera de vapor
Control Control regulatorioregulatorio o control o control de de operacioperacióón(contn(cont.).)
Variables tVariables tíípicas a controlar:picas a controlar:
nnPresiPresióón en el cuerpo de la calderan en el cuerpo de la calderannControl de la combustiControl de la combustióónnnnNivel de agua en el cuerpo de la calderaNivel de agua en el cuerpo de la calderannTemperatura del vaporTemperatura del vapor
CONTROLADOR ACTUADOR PLANTA
SENSOR
Entrada+
-
e
Perturbaciones de carga
Ruido en las mediciones
Salida
Control realimentado Control realimentado clcláásicosico
Control Avanzado de la Control Avanzado de la presipresióón en el cuerpo de la n en el cuerpo de la
calderacaldera
QuQuéé es control avanzado?es control avanzado?
Cualquier tipo de estrategia de Cualquier tipo de estrategia de control diferente de los clcontrol diferente de los cláásicossicos
Se aplican en procesos cuyas Se aplican en procesos cuyas caractercaracteríísticas son: sticas son: nnRetardos de tiempo grandesRetardos de tiempo grandesnnAmplia variaciAmplia variacióón de los parn de los paráámetros metros
dindináámicosmicosnnVariables no Variables no mediblesmedibles o raramente o raramente
mediblesmedibles
PorquPorquéé control avanzado en la control avanzado en la automatizaciautomatizacióón de la caldera de n de la caldera de vapor?vapor?
nnUn tiempo de retardo grandeUn tiempo de retardo grandennSus parSus paráámetros dinmetros dináámicos varmicos varíían an nnFormado por muchos componentesFormado por muchos componentes
Para su estudio se acostumbra Para su estudio se acostumbra descomponer en subsistemas:descomponer en subsistemas:
nnSubsistema de tratamiento de aguaSubsistema de tratamiento de aguannSubsistema de generaciSubsistema de generacióón de vaporn de vapornnSubsistema de Subsistema de prepaciprepacióónn de de
combustiblecombustible
PorquPorquéé varvaríía la presia la presióón en la n en la caldera?caldera?
nnCarga de la calderaCarga de la calderannEntrada de combustible a la calderaEntrada de combustible a la caldera
Dos son las causas principales:Dos son las causas principales:
DinDináámica del proceso de mica del proceso de variacivariacióón de la presin de la presióónn
nnLas calderas presentan respuestas en Las calderas presentan respuestas en lazo abierto no oscilatoriaslazo abierto no oscilatorias
nnLa La F.TF.T del proceso de variacidel proceso de variacióón de la n de la presipresióón es un modelo de primer orden.n es un modelo de primer orden.
nnKpKp Ganancia estGanancia estáática del sistematica del sistemannT T ConstaneConstane de tiempo (de tiempo (minmin))nnToTo Retardo de tiempo (Retardo de tiempo (minmin))
soTeTspK
svFspsP −
+== 1)()()(
EL PREDICTOR DE SMITHEL PREDICTOR DE SMITH
Los retardos de tiempo, hacen que el Los retardos de tiempo, hacen que el ananáálisis y diselisis y diseñño de los controladores o de los controladores se torne en mas complejose torne en mas complejoss
nnEl El predictorpredictor de de SmithSmith es una estrategia es una estrategia que resuelve este problemaque resuelve este problema
EL PREDICTOR DE SMITHEL PREDICTOR DE SMITH
y(s)+
+
-
- -
+ ++
+
D(s)
u(s)e2 e1 rc(s)
ym2(s)
ym1(s)
)( sG c
sTp
oesG −)(
)(sGmmsTe−
)(sGm
)(sGL
Fig. Configuración del predictor de Smith
EL PREDICTOR DE SMITHEL PREDICTOR DE SMITHnn Gp(sGp(s) = ) = F.TF.T del proceso ( sin retardo)del proceso ( sin retardo)nn ToTo = Retardo del tiempo del proceso= Retardo del tiempo del procesonn GL(sGL(s) = ) = F.TF.T de las perturbaciones del procesode las perturbaciones del procesonn Gm(sGm(s) = Modelo del proceso sin retardo de ) = Modelo del proceso sin retardo de
tiempo.tiempo.nn TmTm = Retardo de tiempo del modelo= Retardo de tiempo del modelonn Gc(sGc(s) = ) = F.TF.T del controlador primario o del controlador primario o
principalprincipalnn D(sD(s) = Entrada de perturbaci) = Entrada de perturbacióónnnn Rc(sRc(s) = Entrada de referencia) = Entrada de referenciann y(sy(s) = Salida del proceso) = Salida del proceso
EL PREDICTOR DE SMITHEL PREDICTOR DE SMITH
C(s)
Gn(s) Pn(s)
P(s)Y(s)r(c)
d(s)
Predictor de Smith Convencional
+ +
--+ +
- +
EL PREDICTOR DE SMITHEL PREDICTOR DE SMITH
Predictor de Smith Modificado
d(s)+r(c)
Gn(s)
C(s) P(s)
Pn(s)
Y(s)
Q(s)
-+
- - +
++
nnEn este tipo de procesos es suficiente En este tipo de procesos es suficiente seleccionar un PI como controladorseleccionar un PI como controlador
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛+= siTcKsC 11)( sfTsQ
+=1
1)(
CRITERIOS DE DISECRITERIOS DE DISEÑÑOO
nnFiltro Filtro Q(sQ(s))
TTiKpsC
=
= 1)(
2To
fT =
nnControlador PIControlador PI
EL PREDICTOR DE SMITHEL PREDICTOR DE SMITH
Predictor de Smith con un controlador PI
d(s)r(c)
Kc
11+(To/2)*s
P(s)
Pn(s)
Y(s)+
-+ +
- +
AplicaciAplicacióónn
Predictor de Smith con un controlador PI
d(s)r(c)
Kc
11+(To/2)*s
P(s)
Pn(s)
Y(s)+
-+ +
- +
APLICACIAPLICACIÓÓNNnnMediante estimaciones, el modelo de la Mediante estimaciones, el modelo de la
planta se pudo establecerplanta se pudo establecer
nnKpKp = 0.23 (bar/= 0.23 (bar/kgkg))nnT = 5 (T = 5 (minmin))nnToTo = 3 (= 3 (minmin))
sessvFspsP 3
1523.0
)()()( −
+==
nnEn realidad estos parEn realidad estos paráámetros son metros son variable en el tiempovariable en el tiempo
SimulaciSimulacióón del sistema n del sistema propuestopropuesto
nnLa simulaciLa simulacióón muestra la efectividad n muestra la efectividad del sistema propuesto.del sistema propuesto.
nnLa La simulacionsimulacion se realizo en se realizo en VisimVisim
Gracias por su Gracias por su atenciatencióónn
CALDERA DE VAPORCALDERA DE VAPOR
VARIABLES A CONTROLAR EN UNA VARIABLES A CONTROLAR EN UNA CALDERA DE VAPORCALDERA DE VAPORnn PresiPresióón en el cuerpo n en el cuerpo
de la calderade la calderann TemperaturaTemperaturann Nivel de agua en el Nivel de agua en el
cuerpo de la calderacuerpo de la calderann Flujos de Flujos de
combustible y airecombustible y airenn Presencia o Presencia o
ausencia de llamaausencia de llama
InstrumentaciInstrumentacióón n para para parapara la caldera la caldera