instituto politÉcnico nacional - dspace...

INSTITUTO POLITÉCNICO

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

“PROPUESTA DE ACTUALIZACIÓN DEL SISTEMA

DE CONTROL DE ATEMPERACIÓN DEL

SOBRECALENTADOR DE UN

GENERADOR DE VAPOR”

T E S I S

Que para Obtener el Titulo de:

Ingeniero en Control y Automatización

Presenta:

Mendoza Arriaga Adrian

Asesores: M. en C. Leandro Brito Barrera Ing. Rafael Navarrete Escalera

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco

Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor i

AGRADECIMIENTOS.

“No es fácil llegar, se necesita ahincó, lucha, deseo, pero sobre todo apoyo,

como el que he recibido en todo momento. Ahora más que nunca se acredita mi

cariño, admiración y respeto, gracias por lo que hemos logrado.”

Les agradezco a mis padres y a mis hermanos el apoyo que me han brindado en todo

momento, por todos los sacrificios y esfuerzos que han tenido que pasar para yo poder

finalizar con esta etapa de mi vida.

Por todo lo que hemos pasado juntos.

Atte.: Adrian Mendoza Arriaga.


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor ii

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

En la generación térmica de energía eléctrica, se lleva acabo el proceso de consumo de

un combustible fósil para generar electricidad y por consiguiente, se sabe que los

equipos están expuestos a altas temperaturas, por lo que, están operando a esfuerzos

térmicos de una manera constante.

Con la finalidad de minimizar en lo posible este tipo de esfuerzos, se controla la

temperatura del fluido de trabajo dentro del proceso, en este caso vapor de agua, por ser

una central termoeléctrica equipada con turbinas de vapor para la generación.

El control de vapor es vital en la vida del equipo de alta temperatura y en la economía

de la generación de potencia. Operando por de bajo de las temperaturas de diseño, se

reduce la eficiencia termodinámica del ciclo y se incrementa el costo del combustible,

operando a temperaturas superiores a las de diseño, se reducen los márgenes de

resistencia de las tuberías, calentadores, válvulas y demás elementos de la turbina.

Cambios repentinos en los parámetros de operación, tienden a causar tensiones

destructivas y fracturas en las partes rotatorias de los mismos equipos que interactúan en

el proceso.

Dentro del proceso de sobrecalentamiento del vapor del generador de vapor de una

central termoeléctrica, suelen presentarse perturbaciones por motivos tales como: la

disminución de la temperatura del agua de alimentación, la acumulación de ceniza en

las paredes de agua, la mala circulación dentro de las paredes de agua.

Por consiguiente, el sistema de regulación de temperatura, debe ser capas de ofrecer un

buen monitoreo y control de estos parámetros dentro del sistema de vapor

sobrecalentado, por lo cual, se genera la necesidad de actualizar estos sistemas de

control de temperatura.


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor iii

Este trabajo constituye una propuesta de actualización del sistema de control de

atemperación del sobrecalentador de vapor, parte de un generador de vapor de una

central termoeléctrica.


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor iv

OBJETIVO.

• OBJETIVO GENERAL.

Desarrollar una propuesta de actualización del sistema de control de atemperación de

vapor sobrecalentado del generador de vapor de una central termoeléctrica, así como

diseñar una herramienta computacional, con la cual se simule el comportamiento de este

sistema a diferentes valores de sus parámetros principales.

• OBJETIVOS PARTICULARES.

1. Realizar un análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de vapor del

generador de vapor de una central termoeléctrica.

2. Generar el modelado y simulación del sistema de sobrecalentado de vapor, así

como del sistema de atemperación de vapor principal de un generador de vapor.

3. Proponer un sistema que regule la temperatura del vapor sobrecalentado que se

genera en un generador de vapor.

4. Desarrollar la propuesta de actualización del sistema de control de atemperación

del sistema de sobrecalentado de vapor mediante la aplicación de un controlador

lógico programable “PLC”.


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor v

JUSTIFICACIÓN.

El generador de vapor de la central termoeléctrica manzanillo II, tiene funcionando

desde 1985, lo cual hace que sus sistemas de control tengan 23 años en operación, por

lo cual, el sistema de control de atemperación que tienen en operación es inadecuado.

Para lograr un desempeño más eficiente del generador de vapor, en este trabajo se

realiza una propuesta de actualización del sistema de control de atemperación, con lo

cual, aumente la eficiencia de operación del equipo dentro del generador de vapor, y por

consiguiente, se vea reflejado en el ahorro de costos, estos derivados por el

mantenimiento en los elementos que conforman el generador de vapor.

Con la aplicación de un controlador lógico programable (PLC), se tendría un mejor

control de la temperatura del vapor sobrecalentado, así como también generaría una

herramienta para la simulación de disturbios dentro del sistema de vapor

sobrecalentado.

La finalidad de aplicar un PLC al sistema de atemperación del sobrecalentador, es

mantener la temperatura de vapor principal en su punto de operación según las

especificaciones del generador de vapor (en el caso Manzanillo II es de

aproximadamente 540 °C) esto con el fin de evitar esfuerzos térmicos a los equipos,

trayendo como consecuencia un costo menor en el mantenimiento de la unidad.


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor vi

INTRODUCCIÓN.

El control eficiente de suministro de vapor es vital en la vida del equipo de alta

temperatura y en la economía de la generación de potencia.

Si se operan un equipo por debajo de las temperaturas de diseño se reduce la eficiencia

termodinámica e incrementa el consumo del combustible.

En la manipulación de un equipo a temperaturas superiores a las de diseño, se reducen

los márgenes de resistencia de las tuberías, calentadores, válvulas y todos los elementos

de la turbina y además el mantenimiento preventivo y correctivo se incrementa.

Dentro de los equipos que se encuentran expuestos a altas temperaturas en este sistema

se encuentran: las paredes de agua, que son las encargadas de transformar el fluido de

trabajo de un estado líquido, como lo es el agua saturada, a un estado gaseoso que es el

vapor saturado.

Durante esta conversión de estados, el vapor se sobrecalienta para maximizar el

rendimiento del ciclo termodinámico dentro de la central, que en este caso es el ciclo

termodinámico de Rankine con sobrecalentado, por lo cual, en el proceso de

sobrecalentamiento del vapor, es necesario regular la temperatura de este, con el fin de

mantenerlo en los limites establecidos para el buen funcionamiento de los equipos de la

central.

Este trabajo da una mayor importancia al sistema de control de atemperación, para

poder conservar un mayor tiempo en las mejores condiciones de operación a todos los

componentes del generador de vapor de una central termoeléctrica.


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor vii

ÍNDICE.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………………... ii

OBJETIVO…………………………………………………………………. iv

JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………... v

INTRODUCCIÓN………………………………………………………….. vi

ÍNDICE GENERAL………………………………………………………... vii

ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………….. xi

ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………… xix

Capítulo 1: ASPECTOS GENERALES DE UN GENERADOR DE VAPOR.

1.1. Generadores de Vapor………………………………………………….. 2

1.2. Elementos Principales………………………………………………….. 8

1.2.1. Ciclos de Agua……………………………………………………...... 8

1.2.2. Ciclos de Vapor………………………………………………………. 12

1.3. Tipos de Control de Temperatura de Vapor……………………………. 15

1.3.1. Control de la Temperatura del Vapor Sobrecalentado……………….. 18

1.3.2. Control del Sistema de Atemperación Actual………………... 19

1.3.3. Control de Atemperadores Actual……………………………. 20

Capitulo 2: SISTEMA DE ATEMPERACIÓN DEL SOBRECALENTADOR.

2.1. Descripción del Sistema de Atemperación…………………………...... 23

2.1.1. Sistema del Sobrecalentador…………………………………. 23

2.1.2. Sistema de Atemperación del Sobrecalentador……………… 28

2.1.3. Control de Temperatura de Vapor Sobrecalentado………….. 32

2.2. Análisis del Sistema de Atemperación………………………………… 35


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor viii

2.2.1. Análisis Térmico del Sistema de Sobrecalentado de Vapor

del Generador de Vapor…………………………………………...... 35

2.2.2. Análisis Termodinámico del Sistema de Atemperación del

Sistema de Sobrecalentado…………………………………………. 56

Capitulo 3: SIMULACIÓN EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DEL SISTEMA DE

SOBRECALENTADO DE VAPOR DEL GENERADOR DE VAPOR.

3.1. Consideraciones para Modelar Matemáticamente el Sistema de

Sobrecalentado………………………………………………………………. 64

3.2. Balance de Energía…………………………………………………........ 65

3.3. Balance de Energía Aplicado al Sistema de Sobrecalentado de

Vapor………………………………………………………………………… 65

3.4. Diagrama a Bloques de las Secciones del Sobrecalentador de Vapor….. 71

3.5. Armado del Diagrama a Bloques del Sistema de Sobrecalentado de

Vapor…………………………………………………………………………. 72

3.6. Obtención de Parámetros del Diagrama a Bloques del Sistema de

Sobrecalentado de Vapor…………………………………………………… 72

3.7. Simulación del Sistema de Sobrecalentado de Vapor del

Generador de Vapor………………………………………………… 82

Capítulo 4: IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE

ATEMPERACIÓN DE UN GENERADOR DE VAPOR.

4.1. Consideraciones en la Implementación del sistema de Control de

Atemperación del Sistema de Sobrecalentado del Generador de Vapor…… 92

4.2. Adición de Perturbaciones al Modelo Matemático del Sistema de

Sobrecalentador de Vapor………………………………………………….. 94

4.3. Instrumentación y Control para el Sistema de Sobrecalentado de

Vapor del Generador de Vapor…………………………………………….. 100

4.3.1. Filosofía de Control del Sistema de Sobrecalentado de

Vapor. ……………………………………………………………… 100


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor ix

4.4. Modelado de Control para los Atemperadores del Sistema de

Sobrecalentado……………………………………………………………… 102

4.5. Modelado de Control para las Válvulas de los Atemperadores del

Sistema de Sobrecalentado…………………………………………………. 104

4.6. Implementación de la Arquitectura de Control del Sistema de

Control de atemperación del Sobrecalentador del Generador de Vapor…… 105

4.7. Rangos de Operación de los Transmisores de la Arquitectura del

Sistema de control Atemperación del Sobrecalentador de un Generador

de Vapor……………………………………………………………………. 109

4.8. Controladores de Proceso a Utilizar en el Sistema de Control de

Atemperación del sistema de Sobrecalentado de Vapor del Generador de

Vapor……………………………………………………………………….. 114

4.9. Simulación del la Arquitectura de Control del Sistema de

Atemperación del Sistema de Sobrecalentado de Vapor del Generador de

Vapor………………………………………………………………………. 117

4.10. Sintonización de los Lazos de Control en Cascada de la

Arquitectura de Control del Sistema de Control de Atemperación del

Sistema de Sobrecalentado de Vapor de un Generador de Vapor………….. 121

4.10.1. Metodología para la Sintonización los Lazos de Control

que Integran a la Arquitectura de Control del Sistema de

Atemperación del Sistema Sobrecalentador de Vapor……………... 121

Capitulo 5: PROPUESTA DE ACTUALIZACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL

DE ATEMPERACIÓN SISTEMA DE SOBRECALENTADO DE VAPOR DE UN

GENERADOR DE VAPOR.

5.1. Consideraciones Preliminares para la Implementación del Sistema de

Control de Atemperación en un PLC………………………………………... 137

5.2. Consideraciones Físicas del Sistema de Sobrecalentado de Vapor

para el Diseño e Implementación del Sistema de Control de

Atemperación en un PLC…………………………………………………….. 139


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor x

5.3. Programación en PLC del Algoritmo de Control Para el Sistema de

Control de Atemperación del Sistema de Sobrecalentado de Vapor de un

Generador de Vapor………………………………………………………….. 147

5.3.1. Configuración de Hardware…………………………………… 147

5.3.2. Asignación de Entradas y Salidas de los Módulos que

Integran al PLC………………………………………………………. 150

5.3.3. Escalado de Señales de Entrada y Salida de los Módulos

del PLC……………………………………………………………….. 151

5.3.4. Programación de la Arquitectura de Control del Sistema de

Control de Atemperación en RSLogix 500…………………………... 155

5.3.4.1. Asignación de Restricciones en los Valores de

Entrada………………………………………………………... 155

5.3.4.2. Promediado de Señales de Entrada………………….. 156

5.3.4.3. Utilización de Bloques PID…………………………. 157

Conclusiones del Trabajo……………………………………………………. 164

REFERENCIAS……………………………………………………………… 166

ANEXO 1. Programación de la Arquitectura del Sistema de Control de

Atemperación Diseñada para el PLC SLC 500……………………………….

168

ANEXO 2. Formulas de Conversiones de Valores para Entradas Analógicas

del PLC, SLC 500TM, Allen Bradley. …………………………………...

176

ANEXO 3. Escalado de Bloques PID & E/S Analógicas para el PLC, SLC

500TM, Allen Bradley………………………………………………………………...

181

ANEXO 4. Configuración del Bloque de Control PID………………………. 188


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xi

ÍNDICE DE FIGURAS.

Figura 1.1. Partes de un generador de vapor…………………………………. 2

Figura 1.2. Diagrama de un generador de vapor de circulación

natural……………………………………………………………………………….. 4

Figura 1.3. Diagrama de un generador de vapor de circulación asistida

o controlada. Figura 1.4 Tipos de flujo dentro de los generadores de

vapor…………………………………………………………………………. 4

Figura 1.4 Tipos de flujo dentro de los generadores de vapor…………….. 5

Figura 1.5. Generador de vapor pirotubular…………………………………. 6

Figura 1.6. Generador de vapor acuotubular………………………………… 7

Figura 1.7. Diagrama de flujo del ciclo de agua…………………………….. 8

Figura 1.8. Economizador……………………………………………………. 9

Figura 1.9. Domo superior o domo de vapor...................................................... 9

Figura 1.10.Domo inferior o domo de alimentación………………………….. 10

Figura 1.11. Bombas de circulación controlada…………………………….. 11

Figura 1.12. Paredes de agua…………………………………………………. 11

Figura 1.13. Diagrama de flujo del ciclo de vapor………………………….. 12

Figura 1.14. Sobrecalentadores primario y secundario……………………… 14

Figura 1.15. Atemperador de atomización……………………………………. 15

Figura 1.16. Descripción de un atemperador de atomización………………. 17

Figura 1.17. Acciones de control aplicadas a la temperatura………………. 19

Figura 1.18. Control actual de la temperatura del vapor principal…………. 20

Figura 1.19. Control actual de un atemperador……………………………….. 21

Figura 2.1.Paredes enfriadas por vapor dentro del generador de vapor……. 23

Figura 2.2. Nariz del Hogar………………………………………………………. 25

Figura 2.3 Diagrama de Flujo del Sobrecalentador………………………….. 27

Figura 2.4. Líneas de atemperación del sobrecalentador……………………. 30

Figura 2.5. Control de temperatura actual del vapor sobrecalentado………. 33

Figura 2.6. Lazo de control de temperatura de un atemperador…………… 34


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xii

Figura 2.7. Actualización del control de temperatura del vapor

sobrecalentado………………………………………………………………… 35

Figura 2.8. Diagrama esquemático del sistema de sobrecalentado del

generador de vapor…………………………………………………………… 36

Figura 2.9. Presentación de datos para el cálculo del dato “Y”

mediante la interpolación lineal……………………………………………… 38

Figura 2.10. Diagrama del calor añadido al vapor en cada una de las

secciones del sobrecalentador……………………………………………….. 39

Figura 2.11. Diagrama de entalpías de entrada y salida de cada una de

las secciones del sobrecalentador……………………………………………. 40

Figura 2.12. Diagrama de las posiciones de los atemperadores dentro

del sistema de sobrecalentado mostrando los datos de valores

máximos en estos puntos……………………………………………………. 57

Figura 2.13. Portada del Programa “Análisis Termodinámico de un

a Central Termoeléctrica” ocupado para el cálculo de algunos de los

parámetros para el análisis de los atemperadores del sobrecalentador…… 58

Figura 3.1. Diagrama del sistema de sobrecalentado de vapor del

generador de vapor………………………………………………………….. 64

Figura 3.2. Esquema de un balance de energía……………………………… 65

Figura 3.3. Diagrama a bloques de una de las secciones del sistema de

sobrecalentado……………………………………………………………….. 71

Figura 3.4. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentamiento de

vapor del generador de vapor……………………………………………….. 72

Figura 3.5. Esquema de las secciones del sistema de

sobrecalentamiento de vapor……………………………………………….. 73

Figura 3.6. Diagrama a bloques introducido en Simulink del sistema

de sobrecalentado de vapor…………………………………………………. 83

Figura 3.7. Diagrama de flujo de la rutina para calcular los valores de las

constantes de tiempo y de las ganancias de las funciones de transferencia del

diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de vapor………………. 84

Figura 3.8. Programación de la rutina para introducir los parámetros

del diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de vapor………….. 84


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xiii

Figura 3.9. Corrida de la rutina programada en un M-File para la

adquisición de los parámetros del modelo matemático del sistema de

sobrecalentado de vapor del generador de vapor…………………………… 85

Figura 3.10. Ventana de configuración de parámetros de simulación

para el modelo matemático del sistema de sobrecalentado de vapor…….. 86

Figura 3.11. Puntos del tomados del análisis termodinámico del

sistema de sobrecalentado de vapor, extrapolados al diagrama a

bloques que se armo en Simulink……………………………………………. 86

Figura 3.12. Comportamiento de la temperatura a la salida del SH-1……… 87

Figura 3.13. Acercamiento de la curva de comportamiento de la

temperatura a la salida del SH-1……………………………………………. 87

Figura 3.14. Comportamiento de la temperatura a la salida del SH-2……… 88


temperatura a la salida del SH-2…………………………………………….. 88

Figura 3.16. Comportamiento de la temperatura a la salida del SH-3…….. 89


temperatura a la salida del SH-3……………………………………………. 89

Figura 4.1. Perturbaciones planteadas en el modelado matemático del

sistema de sobrecalentado…………………………………………………. 94

Figura 4.2. Tabla de parámetros de configuración para la perturbación

en la temperatura de los gases del SH-1……………………………………. 95

Figura 4.3. Tabla de parámetros de configuración para la perturbación

en la temperatura de los gases del SH-2……………………………………. 95

Figura 4.4. Tabla de parámetros de configuración para la perturbación en la

temperatura de los gases del SH-3……………………………………………. 96

Figura 4.5. Curva de comportamiento de la temperatura de salida del

SH-1 ante una perturbación en la temperatura de los gases de

combustión…………………………………………………………………… 96

Figura 4.6. Acercamiento hecho al segmento de la curva de

comportamiento de la temperatura de salida del SH-1 ante una

perturbación en la temperatura de los gases de combustión……………….. 97


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xiv



combustión……………………………………………………………………. 98


comportamiento de la temperatura de salida del SH-2 ante una

perturbación en la temperatura de los gases de combustión……………….. 98



combustión…………………………………………………………………… 99


comportamiento de la temperatura de salida del SH-2 ante una perturbación

en la temperatura de los gases de combustión………………………………. 99

Figura 4.11. Esquema del sistema de atemperación del sistema de

sobrecalentador de vapor…………………………………………………….. 101

Figura 4.12. Diagrama de bloques para el atemperador primario………….. 103

Figura 4.13. Diagrama de bloques para el atemperador secundario…………. 104

Figura 4.14. Comportamiento de la servo válvula de control de agua

de atemperación……………………………………………………………… 104

Figura 4.15. Diagrama a bloques para la servo-válvula del

atemperador 1……………………………………………………………….. 105

Figura 4.16. Diagrama a bloques para la servo-válvula del atemperador 2. 105

Figura 4.17. Esquema de la arquitectura de control planteada para el

sistema de control de atemperación del sobrecalentador de un

generador de vapor…………………………………………………………… 106

Figura 4.18. Esquema de la arquitectura de control para el sistema de

control de atemperación del sobrecalentador, mostrando al lazo en

cascada primario, este siendo el que regula la temperatura en la

sección terciaria del sobrecalentado…………………………………………. 107

Figura 4.19. Esquema de la arquitectura de control para el sistema de

control de atemperación del sobrecalentador, mostrando al lazo en

cascada secundario, este siendo el que regula la temperatura en la

sección secundaria del sobrecalentado……………………………………… 108


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xv

Figura 4.20. Posición de transmisores dentro del sistema de

sobrecalentado de vapor y numeración de estos…………………………… 110

Figura 4.21. Diagrama a bloques del transmisor TT-01A……………………. 111

Figura 4.22. Diagrama a bloques del transmisor TT-01B……………………. 112

Figura 4.23. Diagrama a bloques del transmisor TT-02A……………………. 112

Figura 4.24. Diagrama a bloques del transmisor TT-02B……………………. 113

Figura 4.25. Diagrama a bloques de un controlador PID……………………. 116

Figura 4.26. Esquema de la arquitectura de control del sistema de

control de atemperación del sobrecalentador del generador de vapor,

mostrando la nomenclatura de cada una de sus partes……………………. 117

Figura 4.27. Diagrama a bloques del sistema de control de atemperación del

sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor armado en la

herramienta Simulink del paquete MatLab…………………………………….. 120

Figura 4.28. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de

vapor, incorporando el diagrama a bloques del lazo interno del primer

lazo en de control en cascada del sistema de control de atemperación,

este lazo se remarca en color naranja…………………………………… 123

Figura 4.29. Parámetros obtenidos por medio de la sintonización del

controlador interno del lazo de control en cascada primario del 124

sistema de control de atemperación…………………………………………

Figura 4.30. Respuesta de la temperatura a la sintonización del

controlador interno del lazo de control en cascada primario……………….. 124

Figura 4.31. Acercamiento hecho a la respuesta de la temperatura a la

sintonización del controlador interno del lazo de control en cascada

primario………………………………………………………………………. 125


vapor, incorporando el diagrama a bloques del lazo en de control en

cascada primario completo, esta parte del sistema de control de

atemperación, este lazo se remarca en color naranja………………………. 125


controlador externo del lazo de control en cascada primario del

sistema de control de atemperación…………………………………………. 126


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xvi


controlador externo del lazo de control en cascada primario……………… 126


sintonización del controlador externo del lazo de control en cascada

primario………………………………………………………………………. 127


vapor, incorporando el diagrama a bloques del lazo interno del

primer lazo en de control en cascada del sistema de control de

atemperación, este lazo se remarca en color verde…………………………. 128


controlador interno del lazo de control en cascada secundario del

sistema de control de atemperación………………………………………… 128


controlador interno del lazo de control en cascada secundario……………. 129


sintonización del controlador interno del lazo de control en cascada 129

secundario……………………………………………………………………..


vapor, incorporando el diagrama a bloques del lazo en de control en

130

cascada secundario completo, esta parte del sistema de control de

atemperación, este lazo se remarca en color verde…………………………


controlador externo del lazo de control en cascada primario del

sistema de control de atemperación………………………………………… 131


controlador externo del ……………………………………………………… 131


sintonización del controlador externo del lazo de control en cascada

primario………………………………………………………………………. 131

Figura 4.44. Simulación del sistema de sobrecalentado de vapor ante

perturbaciones con el sistema de control de atemperación ya

implementado………………………………………………………………… 132


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xvii

Figura 4.45. Acercamiento hecho a la curva de respuesta de

temperatura del sistema de sobrecalentado de vapor con el sistema de

control de atemperación ya implementado…………………………………. 133


vapor con el sistema de control de atemperación ya implementado,

esta añadiéndole perturbaciones aleatorias al sistema de

sobrecalentado de vapor…………………………………………………….. 134

Figura 4.47. Respuesta de la temperatura de salida del sistema de

sobrecalentado de vapor con el sistema de control de atemperación

ya implementado añadiéndole señales aleatorias como perturbación…….. 134

Figura 4.48. Comportamiento de la temperatura de salida del sistema

de sobrecalentado de vapor habiendo implementado el sistema de

control de atemperación añadiéndole perturbaciones aleatorias………….. 135

Figura 5.1. Esquema de la arquitectura de control del sistema de

control de atemperación identificando cada una de sus partes……………. 139

Figura 5.2. Instrumentación de sistema de control de atemperación del sistema

de sobrecalentado de vapor………………………………………………….. 142

Figura 5.3. Diagrama físico del sistema de control de atemperación del

sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor………………. 144

Figura 5.4. Selección del procesador del PLC en RSLogix 500. 148

Figura 5.5. Selección del chasis a usar en el PLC en RSLogix 500………….. 148

Figura 5.6. Selección de los módulos de E/S del PLC en RSLogix 500…….. 149

Figura 5.7. Ventana de configuración de Fuente de Alimentación en

RSLogix 500………………………………………………………………….. 149

Figura 5.8. Líneas de instrucción de escalado de los transmisores TT-

01AA & TT-01AB en el programa del sistema de control de atemperación….. 152

Figura 5.9. Líneas de instrucción de escalado de las válvulas TV-01A

& TV-01B en el programa del sistema de control de atemperación……….. 153

Figura 5.10. Diagrama de flujo de la rutina que se programo en el

PLC, para la implementación de la arquitectura de control del

sistema de control de atemperación del sistema de sobrecalentado de

vapor del generador de vapor………………………………………………… 156


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xviii

Figura 5.11. Comparación de límites permitidos en las señales de los

transmisores TT-01AA & TT-01AB………………………………………….. 156

Figura 5.12. División de las señales de entrada de los transmisores

TT-01AA & TT-01AB………………………………………………………... 156

Figura 5.13. Procedimiento de suma de las señales de los transmisores

TT-01AA & TT-01AB después de haberse dividido entre dos. ……………. 157

Figura 5.14. Diagrama de localidades de memoria ocupadas en el

PLC para cada señal de la arquitectura de control del sistema de

control de atemperación………………………………………………………. 158

Figura 5.15. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-01A………. 159

Figura 5.16. Parámetros de configuración del boque PID del

controlador TC-01A…………………………………………………………... 159

Figura 5.17. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-01B………. 160


controlador TC-01B…………………………………………………………. 160

Figura 5.19. Asignación del punto de referencia al bloque de

instrucción PID asignado para el controlador TC-01B…………………….. 160

Figura 5.20. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-02A………. 161


controlador TC-02A…………………………………………………………. 162


instrucción PID asignado para el controlador TC-02A…………………….. 162

Figura 5.23. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-02B……….. 162


controlador TC-02B………………………………………………………… 162


instrucción PID asignado para el controlador TC-02B…………………….. 163


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xix

ÍNDICE DE TABLAS.

Tabla 2.1 Descripción de las partes del sistema del sobrecalentador………… 26

Tabla 2.2. Parámetros conocidos de sistema de sobrecalentado del generador

de vapor a diferentes porcentajes de carga de trabajo de la

unidad…………………………………………………………………………. 37

Tabla 2.3. Valores de las entalpías y densidades calculas de tablas de vapor en

base a las temperaturas conocidas…………………………………………… 38

Tabla 2.4. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 2-6, 2-7&

2-8……………………………………………………………………………… 41

Tabla 2.5. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una

presión de 160 bares………………………………………………………….. 42


presión de 180 bares………………………………………………………….. 42


presión de 173.65 bares por medio de una segunda

interpolación…………………………………………………………………… 43

Tabla 2.8 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una

presión de 160 bares………………………………………………………….. 43


presión de 180 bares…………………………………………………………. 44

Tabla 2.10. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una


interpolación………………………………………………………………….. 44

Tabla 2.11. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 2-13, 2-14

& 2-15………………………………………………………. 47


presión de 160 bares………………………………………………………….. 47


presión de 180 bares………………………………………………………….. 48


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xx



interpolación……………………………………………………………………

48


presión de 160 bares………………………………………………………… 49


presión de 180 bares………………………………………………………….. 49

Tabla 2.17. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una


interpolación…………………………………………………………………. 49

Tabla 2.18. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 2-22 y 2-

23………………………………………………………………………………. 52


presión de 160 bares…………………………………………………………. 53


presión de 180 bares…………………………………………………………. 53



interpolación…………………………………………………………………… 53


presión de 160 bares……………………………………… 54


presión de 180 bares………………………………………………………….. 54

Tabla 2.24. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1” a

una presión de 173.65 bares por medio de una segunda

interpolación…………………………………………………………………… 55

Tabla 2.25. Resultados obtenidos mediante el análisis térmico del sistema de

sobrecalentamiento del generador de vapor a tres diferentes cargas de trabajo

del generador de vapor………………………………………………………. 55

Tabla 2.26. Datos ocupados para analizar termodinámicamente a los

atemperadores del sistema de sobrecalentado………………………………… 59

59


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xxi

Tabla 2.27. Datos obtenidos para el análisis del atemperador por medio de la

ecuación 2.25………………………………………………………………….

Tabla 3.1. Datos obtenidos Prontuario de Datos Técnicos de la C. T.

Manzanillo II de la C.F.E sobre parámetros mecánicos de las partes del

sistema de sobrecalentamiento de vapor del generador de vapor………….. 73

Tabla 3.2. Valores calculados a partir de los datos de parámetros mecánicos

de la tabla 3.1…………………………………………………………………. 74

Tabla 3.3. Datos obtenidos Tablas de Comportamiento Esperado del

Generador de Vapor del Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi

Unidades 1 y 2, de la C. T. Manzanillo II sobre valores del flujo en el sistema

de sobrecalentado de vapor…………………………………………………. 75

Tabla 3.4. Datos obtenidos Tablas de Comportamiento Esperado del

Generador de Vapor del Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi

Unidades 1 y 2, de la C. T. Manzanillo II sobre los valores ideales de las

temperaturas de salida en las secciones del sistema de sobrecalentado de

vapor…………………………………………………………………………. 75

Tabla 3.5. Resultados de la conversión entre escalas de temperatura de los

valores de temperaturas de las secciones del sistema de

sobrecalentado………………………………………………………………. 76

Tabla 3.6. Capacidades caloríficas calculadas mediante la ecuación 3-7 y los

datos obtenidos mediante el análisis termodinámico del sistema de

sobrecalentador de vapor………………………………………………….. 76

Tabla 3.7. Capacidades caloríficas a volumen constante calculadas mediante

la ecuación 3-8 y los datos obtenidos mediante el análisis termodinámico del

sistema de sobrecalentado de vapor………………………………………… 77

Tabla 3.8. Capacidades caloríficas a volumen constante calculadas mediante

la ecuación 3-8 y los datos obtenidos mediante el análisis termodinámico del

sistema de sobrecalentado de vapor…………………………………………. 77

Tabla 3.9. Densidades calculadas mediante el análisis termodinámico del

sistema de sobrecalentado de vapor y los datos obtenidos de las tablas de

vapor de la referencia [11]…………………………………………………… 77


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor xxii

Tabla 3.10. Valores para el cálculo del coeficiente global de transferencia de

energía para el caso del SH-1…………………………………………………

79


energía para el caso del SH-2………………………………………………… 79


energía para el caso del SH-2………………………………………………… 80

Tabla 3.13. Valores de los coeficientes de transferencia de energía obtenidos

mediante los cálculos anteriores……………………………………………. 81

Tabla 3.14. Parámetros de las funciones de transferencia establecida en las

ecuaciones 3-24, 3-25 y 3-26 ocupados para hacer la simulación del sistema

de sobrecalentado de vapor del generador de vapor…………….……………. 81

Tabla 5.1 Cuantificación de entradas y salidas físicas al sistema de

control…………………………………………………………………………. 143

Tabla 5.2 Cuantificación total de entradas y salidas físicas al sistema de control………………………………………………………………………….. 145

Tabla 5.3 Asignación de ranuras de los módulos del PLC………………………... 150

Tabla 5.4 Rangos de representación decimal para la señal de entradas analógicas de los módulos del PLC……………………………………………….. 151

Tabla 5.5 Parámetros para la utilización de la instrucción SCL para el escalado de señales de entrada analógicas………………………………………… 151

Tabla 5.6 Rangos de representación decimal para señales de salida analógicas de los módulos del PLC………………………………………………. 152

Tabla 5.7 Parámetros para la utilización de la instrucción SCL para el escalado de señales de salidas analógicas…………………………………………. 152


Propuesta De Actualización Del Sistema De Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor 1

Capítulo 1: Aspectos Generales de un Generador de

Vapor.



1.1 Generadores de Vapor.

Concepto.

Un generador de vapor convierte el agua líquida en vapor a una presión y temperatura

predeterminadas. La Figura 1.1 muestra un generador de vapor, el cual está constituido

principalmente por: Economizador, evaporador y sobrecalentador.

Figura 1.1. Vista general de un generador de vapor

Un generador de vapor funciona mediante la transferencia de calor al agua contenida o

circulando dentro de él, el calor se produce generalmente al quemarse un combustible.

En todo el generador de vapor se distinguen dos zonas importantes:

Zona de liberación de calor u hogar o cámara de combustión: Es el lugar donde se

quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico o

paredes de agua que lo rodeen.



Interior: El hogar se encuentra dentro del recipiente metálico, rodeado de paredes

refrigeradas por agua.

Exterior: Hogar construido fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o

sin paredes refrigeradas por agua.

La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama -

agua).

Zona de tubos: Es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos)

transfieren calor al agua principalmente por Convección (gases - agua). Está constituida

por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua

Tipos

Existen varias clasificaciones de generadores de vapor, entre las que se pueden

señalar:

Según su utilización:

• De vapor

• De agua caliente

• Móvil o portátil

• Fija o estacionaria

Según la presión de trabajo:

• Baja presión: 0 a 2.5 Kg/cm2

• Media presión: 2.5 a 10 Kg/cm2

• Alta presión: 10 a 225 Kg/cm2

• Presión supercrítica: más de 225 Kg/cm2



Según la circulación de agua dentro del generador de vapor:

• Circulación Natural: el agua se mueve por efecto térmico, como se

muestra en la Figura 1.2. el agua pasa por gravedad y diferencia de

altura del domo superior a las paredes del hogar.

Figura 1.2. Diagrama de un generador de vapor de circulación natural.

Circulación Forzada: el agua se hace circular mediante bombas como se ve en la

Figura 1.3. el agua se bombeo para que pase en las paredes de agua.

Figura 1.3. Diagrama de un generador de vapor de circulación asistida o controlada.



Sin embargo, la clasificación más aceptada se basa en la circulación del agua y de los

gases calientes en la zona de tubos de los generadores. Según esto se tienen dos tipos

generales de generadores

• Pirotubulares o de Tubos de Humos: En estas generadores los humos

pasan por dentro de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea,

como se muestra en la Figura 1.4a.

• Acuotubulares o de Tubos de Agua: El agua circula por dentro de los

tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior

como se ve el la Figura 1.4b.

Figura 1.4 Tipos de flujo dentro de los generadores de vapor.

Según su construcción.

• Construcción Horizontal

• Construcción Vertical.

Generadores de Vapor Pirotubulares.

Son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de formas cilíndricas o

semicilíndricas, atravesados por grupos de tubos por donde circulan los gases de

combustión.



Por problemas de resistencia de materiales, su tamaño se limita. Sus dimensiones

alcanzan hasta 4.5 m de diámetro y 10 m de largo. Se construyen para capacidades

máximas de 15000 Kg/h de vapor y sus presiones de trabajo no superan as 18 Kg/cm2

Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso se les instala un

estanque de expansión que permite absorber las dilataciones del agua. En el caso de

generadores de vapor poseen un nivel de agua a 10 cm o 20 cm sobre los tubos

superiores. En algunos generadores mixtos se les instalan un banco de tubos

recalentadores de vapor, ubicado en el hogar o cerca de él. Un ejemplo de este tipo de

generador esta en la Figura 1.5.

Entre sus características se puede mencionar;

• Sencillez de construcción

• Facilidad de inspección, reparación y limpieza

• Gran peso.

• Lenta puesta en marcha

• Gran peligro en caso de explosión o ruptura debido al gran volumen de agua

almacenada

Figura 1.5. Generador de vapor pirotubular.

Generadores de Vapor Acuotubulares.

Se componen de uno o más cilindros que almacenan el agua y vapor (colectores o

domos) unidos por tubos de pequeño diámetro por donde circula el agua.



Estos generadores de vapor se usan cuando los requerimientos de vapor, en

cantidad y calidad son altos. Se construyen para capacidades mayores a

5000 Kg/h de vapor (5 Ton/h), con valores máximos, en la actualidad de

2000 Ton/h. Permiten obtener vapor a temperaturas del orden de 500 ºC y

presiones de 200 Kg/cm2 o más.

Debido a que utilizan tubos de menor diámetro, aceptan mayores presiones

de trabajo, absorben mejor las dilataciones y son más seguras. Su peso en

relación a la capacidad es reducido.

Requieren poco tiempo de puesta en marcha y son más eficientes. No se

construyen para bajas capacidades debido a que su construcción más

compleja las hacen más caras que las generadores pirotubulares.

Clasificación

• Tubos Rectos

• Tubos Curvados de dos o más colectores

• Circulación natural.

• Circulación Forzada

La Figura 1.6 muestra un generador de vapor tipo acuotubular.

Figura 1.6. Generador de vapor acuotubular.



1.2. Elementos Principales.

Refiriéndose a los diagramas, el flujo de agua y vapor a través de la unidad, se pueden

hacer la siguiente clasificación:

1.2.1. Ciclos de Agua

Las partes que integran el ciclo de agua son: tuberías de agua de alimentación, tubería

de recirculación del economizador, domo superior, bombas de circulación controlada,

tuberías principales de bajada, domo inferior o de alimentación, paredes de agua y

cabezales. Como se observa el la Figura 1.7.

Figura 1.7. Diagrama de flujo del ciclo de agua.

Economizador.

La función del economizador es precalentar el agua de alimentación del generador antes

de que sea introducida en el domo, recuperando parte del calor de los gases que dejan el

generador. Este equipo esta situado en la salida de la generador, en el paso de gases y

esta compuesto por un número de tubos paralelos, arreglados en filas horizontales de tal

manera que cada fila esta alternada a la fila superior e inferior. Los tubos del

economizador tienen una aleta espiral para aumentar la superficie efectiva de

calentamiento.



El agua de alimentación se suministra al economizador a través de su cabezal, check y

válvulas de retención. El flujo del agua a través del economizador, esta a contra flujo de

los gases calientes. La mayor parte de la transferencia de calor se produce aquí. Desde

los cabezales de salida el agua de alimentación se conduce al domo a través de las

derivaciones de las salidas del economizador. Fácil de observar el la siguiente Figura

1.8.

Figura 1.8. Economizador.

Domo de Vapor o Domo Superior.

El domo de vapor es un recipiente cilíndrico horizontal, que recibe el agua de

alimentación del cabezal de salida del economizador, su función es la de separar el agua

del vapor generado en las paredes del hogar y reducir el contenido de sólidos disueltos

en el vapor, también, se encarga de suministrar agua al domo de alimentación y

suministrar el vapor generado en las paredes del hogar a los cabezales de entrada del

sobrecalentador de la generador. Ver Figura 1.9.

Figura 1.9. Domo superior o domo de vapor.



Domo Inferior o Domo de Alimentación.

El domo inferior es un recipiente cilíndrico horizontal instalado en la parte inferior del

generador de vapor, su función principal es la de distribuir el agua que recibe de las

descargas de las bombas de circulación controlada en las paredes de agua del hogar,

también este equipo, cuenta con líneas de recirculación de agua al economizador y una

línea de drenaje que se utiliza para vaciar el generador de vapor cuando se encuentra

fuera de servicio y despresurizado. Ver figura 1.10.

Figura 1.10.Domo inferior o domo de alimentación.

Bombas de Circulación Controlada.

Las bombas de circulación controlada succionan el agua del cabezal de succión

proveniente del domo superior y la envían hacia el domo inferior, estas tienen como

función dar más velocidad al flujo de agua a través de las paredes de agua del

generador, creando una circulación más rápida y un enfriamiento más adecuado.

Se tienen 3 bombas de circulación controlada que abastecen el 50% de capacidad del

sistema cada una, de manera que normalmente dos están en servicio y una de reserva.

Cada una de las bombas se acciona por medio de un motor eléctrico. Ver Figura 1.11.

El motor de las bombas de circulación controlada trabaja totalmente inundado en agua

desmineralizada.



Figura 1.11. Bombas de circulación controlada.

Paredes de Agua.

Las paredes de agua son las principales superficies de generación de vapor en el

generador. Desde el domo superior, los tubos principales de bajada suministran agua al

cabezal de entrada de las paredes de agua (domo inferior o de alimentación).

Cada una de las dos paredes de agua laterales consiste en tubos centrados y soldados

para formar un panel hermético. Terminan en los cabezales de salida de las paredes de

agua laterales, el cual descarga la mezcla de vapor-agua, generada en estas paredes,

dentro del domo superior. Como se muestra en la Figura 1.12.

Figura 1.12. Paredes de agua.



La pared de agua posterior también se compone de tubos centrados y soldados para

formar un panel hermético, a una elevación específica, estos tubos continúan para

formar el techo. Los tubos del techo descargan la mezcla vapor-agua, directamente

dentro del domo superior.

La pared de agua frontal también se compone de tubos centrados y soldados para formar

un panel hermético, a la misma elevación de la pared posterior, descarga la mezcla

vapor-agua, directamente al domo superior.

1.2.2. Ciclos de Vapor.

Las partes que integran el ciclo de vapor son: sobrecalentador, tubos de conexión del

sobrecalentador, atemperador, tubos terminales (colgantes) del sobrecalentador y tubería

de vapor principal. El diagrama de flujo de vapor se muestra en la Figura 1.13.

Figura 1.13. Diagrama de flujo del ciclo de vapor.

1. Cabezal de Entrada Baja Temperatura. 2. Cabezal “U”. 3. Cabezal de Salida Vapor Baja

Temperatura. 4. Tubería de Entrada al Sobrecalentador

Primario. 5. Cabezal de Entrada al Sobrecalentador

Primario. 6. Cabezal de Salida del Sobrecalentador

Primario. 7. Tubería de Salida del Sobrecalentador

Primario. 8. Cabezal de Entrada al Sobrecalentador

Secundario. 9. Cabezal de Salida del Sobrecalentador

Secundario. 10. Tubería de Salida del Sobrecalentador

Secundario. 11. Cabezal de Entrada al Sobrecalentador

Terciario. 12. Cabezal de Salida del Sobrecalentador

Terciario. 13. Cabezal de Entrada al Recalentador. 14. Cabezal de Salida del Recalentador

Primario. 15. Cabezal de Salida del Recalentador. 16. Sobrecalentador Primario. 17. Sobrecalentador Secundario. 18. Sobrecalentador Terciario. 19. Recalentador Primario. 20. Recalentador Secundario. 21. Hogar. 22. Economizador.



Sobrecalentador.

El sobrecalentador está compuesto básicamente por cuatro etapas ó secciones: una

sección de pared enfriada por vapor, una primera sección (Panel), una segunda sección

(Platen) y una tercera sección (Pendant).

La sección de paredes enfriadas por vapor la forma: el paso posterior de gas de la pared

lateral y la pared del techo.

El paso posterior de gas de la pared lateral está compuesto de tubos aleteados, dichos

tubos están separados de sus centros equitativamente. Las paredes enfriadas por vapor

del techo, están compuestas de tubos separados homogéneamente con respecto a la

distancia entre centros.

La primera sección del sobrecalentador divide la parte superior del hogar en caminos de

gases enfriados debido a la transferencia por radiación.

La dirección del flujo en cada grupo de elementos es hacia abajo en los extremos (tubos

frontales y posteriores) y hacia arriba en la parte central, hasta llegar al cabezal de salida

del primer sobrecalentador.

El primer sobrecalentador lo constituyen ocho grupos de elementos verticales (panel)

cuyo diámetro exterior de sus tubos es mayor que en otros, con la finalidad de proteger

al metal. Como se ve en la Figura 1.14a. Cada panel se encuentra fijo por medio de

tubos espaciadores enfriados por agua y vapor para mantener constantes los espacios.

El segundo sobrecalentador está localizado entre el primero y el arco que forma la

"nariz" del hogar. Y este se muestra en la Figura 1.14b.



Figura 1.14. Sobrecalentadores primario y secundario.

Este sobrecalentador está constituido por grupos de elementos (platen) espaciados

uniformemente a lo ancho del hogar. Cada platen está formado de tubos separados

homogéneamente con respecto a la distancia entre centros.

Su tipo de arreglo es de dos circuitos verticales. Cada platen es suspendido del techo a

través de un haz colgante por medio de resortes, varillas y sellos tipo corona.

El tercer sobrecalentador se encuentra en la parte superior del arco que forma la nariz

del hogar. Esta constituido por grupos de elementos espaciados uniformemente a lo

ancho del hogar. Cada grupo esta formado de tubos separados homogéneamente con

respecto a la distancia entre centros. El sistema de sujeción en éste sobrecalentador es

igual al del segundo.

Atemperadores.

Los atemperadores están montados en las conexiones de derivación del sobrecalentador

y en la línea de recalentado frió para permitir una reducción de la temperatura del vapor,

cuando sea necesario mantener los valores de temperatura de diseño, dentro de los

limites de la capacidad de las toberas.



La reducción de temperatura se logra por medio de la inyección de agua de atomización

dentro del recorrido del vapor a través de una tobera en el extremo de entrada del

atemperador. Ver la Figura 1.15., la fuente de agua de atomización es del sistema de

agua de alimentación del generador. Es esencial que el agua de atomización sea

químicamente pura y libre de sólidos para prevenir depósitos o incrustaciones en el

sobrecalentador y recalentador y aun en la turbina.

Figura 1.15. Atemperador de atomización.

Los cuatro atemperadores primarios están instalados en las tuberías de conexión del

cabezal de salida del primer sobrecalentador con el cabezal de entrada del segundo

sobrecalentador. Los dos atemperadores secundarios están instalados en los enlaces que

conectan el cabezal de salida del segundo sobrecalentador con el cabezal de entrada del

tercer sobrecalentador.

El agua en forma de rocío es inyectada en el extremo de entrada de cada atemperador

para hacer posible la reducción de la temperatura de vapor cuando sea necesario, y

mantener la misma a su valor de diseño dentro de los límites de capacidad de la tobera.

La situación de los atemperadores ayuda a asegurar que no haya arrastres de agua a la

turbina y también eliminan la necesidad de materiales resistentes a muy altas

temperaturas en la construcción del atemperador.

1.3. Tipos de Control de Temperatura de Vapor.

El control de vapor es vital en la vida del equipo de alta temperatura y en la economía

de la generación de potencia.



Operando de bajo de las temperaturas de diseño, reduce la eficiencia termodinámica e

incrementa el costo del combustible, y en temperaturas superiores a las de diseño,

reduce los márgenes de resistencia de las tuberías, calentadores, válvulas y los

elementos de la turbina.

Cambios repentinos o temperaturas extremas pueden causar tensiones destructivas y/o

fracturas en las partes rotatorias del equipo. Esto es a veces necesario, por las

complejidades envueltas en el diseño y evaluación de los rangos de transferencia de

calor y las variaciones de las características del combustible, al modificar equipo

instalado, para obtener los márgenes requeridos de temperatura.

Tales cambios pueden involucrar la instalación de deflectores que distribuyan los gases

de combustión en los sobrecalentadores o adicionar mas secciones de intercambio de

calor en el sobrecalentador o en los componentes de precalentado del sobrecalentador,

lo cual afectaría la temperatura de los gases de combustión que llegan al

sobrecalentador.

Para la rutina de operación, es esencial proveer un adecuado sistema de control de

temperatura del vapor para la compensación de las probables variaciones en el

combustible, transferencia de calor, y limpieza de las superficies de transferencia.

Esto puede incluir, damper´s para el control de los gases que llegan al sobrecalentador,

recirculación de los productos gaseosos de baja temperatura de la combustión en el

hogar, para cambiar relativamente la absorción de calor en el hogar y en el

sobrecalentador.

También se puede incluir el uso de quemadores a diferentes elevaciones en el hogar o el

uso de la inclinación de los quemadores para cambiar la altura de la zona de combustión

con respecto al hogar y la superficie de transferencia de calor, atemperación o control de

enfriamiento del vapor de entrada al sobrecalentado, a la salida del sobrecalentador, o

entre la sección primaria y secundaria del sobrecalentador.



Finalmente se debe tener el control del rango de la llama dividida en el hogar y control

del rango relativo de la llama bombeando un rango de agua en flujo forzado a través del

hogar.

La velocidad de respuesta difiere por varios métodos, el control de la temperatura de

vapor por el bypass de gases de combustión o por la posición de la flama, es más lento

que ocupando la atomización de agua de la atemperación. La operación de los controles

por estos métodos puede clasificarse como: manual, automático o una combinación de

ambos, y el uso de más de un método a menudo facilita el mantenimiento constante de

la temperatura de vapor a los diferentes rangos de carga del generador de vapor.

La atemperación del vapor sobrecalentado por contacto directo de agua de atomización,

resulta en un equivalente incremento en la alta presión del vapor generado sin pérdida

térmica. La atomización para la atemperación esencialmente requiere del uso de agua

pura, tal como el agua de condensación, para evitar impurezas en el vapor. Como se

observa en la Figura 1.16.

Figura 1.16. Descripción de un atemperador de atomización.

Cenizas y escorias depositadas en la superficie del sobrecalentador reduce la

transferencia de calor y la baja temperatura del vapor. Similares depósitos en las paredes

del hogar y en la superficie de generación de vapor adelante del sobrecalentador

también reduce la transferencia de calor a esas superficies, resultando en sobre-

temperaturas de los gases de combustión que se dirigen al sobrecalentador y

consecuentemente incrementa la temperatura del vapor.



Así el control de la limpieza de las superficies es un importante factor en el control de la

temperatura del vapor.

El aumento en exceso del aire resulta en altas temperaturas del vapor, por que reduce la

absorción de calor radiante en el hogar en la mayor cantidad de gases de combustión e

incrementa la transferencia de calor por convección en el sobrecalentador.

Operando con agua de alimentación por debajo de lo previsto, también resulta en un

incremento de la temperatura del vapor porque requiere un mayor rango de llama para

mantener la generación de vapor.

1.3.1. Control de la Temperatura del Vapor Sobrecalentado.

La temperatura del vapor sobrecalentado se controla al hacer variar la intensidad del

calor dirigido hacia los sobrecalentadores, al contrario que con las paredes de agua. Esto

se puede realizar al inclinar los quemadores, o al recircular o desviar el gas combustible.

A menudo se aplica un control fino al atemperar el vapor sobrecalentado con agua de

alimentación. Pero esta práctica conduce a trabajo perdido, en cuanto a que el agua para

atemperación se desvía de la superficie de transferencia de calor para evaporación, lo

que eleva en consecuencia la temperatura interna más allá de lo necesario.

El sistema de control que se muestra en la Figura 1.17., minimiza el flujo de agua para

atemperación al mismo tiempo que mantiene un control de la temperatura que responde.

El controlador de temperatura a la salida del sobrecalentador ajusta en cascada la

temperatura de admisión, con la medición secundaria como retroalimentación para el

modo de integración del primario.



Esto evita el cierre con cargas bajas, cuando no se puede mantener las temperaturas

elevadas.

Figura 1.17. Acciones de control aplicadas a la temperatura.

El control de la temperatura de admisión esta dividido, con acciones proporcionales y

derivativas aplicadas a la atemperación. Con desviación cero, la válvula atemperadora

siempre regresara a la misma posición, igual a la polarización de salida del controlador.

Un controlador Proporcional más Integral (PI) modula las posiciones del quemador o

del regulador de tiro; su efecto sobre el sobrecalentamiento es mas bajo que el de la

válvula de atemperación, pero son necesarias para el control a largo plazo.

1.3.2. Control del Sistema de Atemperación Actual.

El objetivo de este sistema es controlar aproximadamente a 541 °C la temperatura de

vapor sobrecalentado. Está formado por dos partes independientes: la primera, controla

la temperatura de salida del sobrecalentador secundario; y para lograrlo, regula el flujo

de agua de atemperación, la cual se atomiza en cuatro atemperadores, tal y como puede

verse en la Figura 1.18.

La segunda etapa comprende el control de la temperatura de vapor principal. Para

lograrlo, dispone de dos atemperadores ubicados en la entrada al sobrecalentador

terciario, tal y como puede observarse en la Figura 1.18.



La respuesta de ambas etapas del control es la siguiente: al variar la temperatura del

vapor a un valor mayor que el valor de ajuste para la carga actual, el control mandará

abrir las válvulas de atemperación hasta que la temperatura del vapor baje nuevamente a

su valor normal. Si la temperatura disminuye a un valor menor que el valor de ajuste, el

control ordenará cerrar las válvulas de atemperación, hasta lograr que la temperatura del

vapor suba a su valor normal.

Figura 1.18. Control actual de la temperatura del vapor principal.

1.3.3. Control de Atemperadores Actual.

Una válvula de control, enlazada a una unidad de control automático, regula el flujo de

agua de atemperación suministrada a cada atemperador. Válvulas de bloqueo están

instaladas en las líneas de suministro de agua a las estaciones de control del

atemperador como válvulas de cierre adicionales, para prevenir fugas a través de las

válvulas de control cuando éstas son cerradas.

Las válvulas de bloqueo deberán cerrarse cuando la atemperación no se requiera. Una

válvula operada manualmente se suministra sobre ambos lados de cada válvula de

control para permitir el aislamiento de la misma, cuando se requiera. Ver Figura 1.19.



Figura 1.19. Control actual de un atemperador.

Una válvula de control manual en la línea de by-pass alrededor de la válvula de control

automático y las dos válvulas de aislamiento se utilizan únicamente en el caso de una

emergencia ó cuando una válvula de control automático requiera mantenimiento. La

fuente del agua de atemperación es desde el circuito de agua de alimentación. Es

esencial que el agua de atemperación sea químicamente pura y libre de sólidos, con el

fin de prevenir depósitos químicos en el sobrecalentador y arrastres a la turbina.



Capitulo 2:

Sistema de Atemperación del

Sobrecalentador.



2.1 Descripción del Sistema de Atemperación.

2.1.1 Sistema del Sobrecalentador.

El sobrecalentador está compuesto básicamente por cuatro etapas ó secciones: una

sección de pared enfriada por vapor, una primera sección (panel), una segunda sección

(platen) y una tercera sección (pendant).

La sección de paredes enfriadas por vapor la forma el paso posterior de gas de la pared

lateral y la pared del techo, como se muestra en la Figura 2.1.

Paredes Enfriadas por Vapor.

Cabezal “U”

Paredes de Agua.

Figura 2.1.Paredes enfriadas por vapor dentro del generador de vapor.

El paso posterior de gas de la pared lateral está compuesto de tubos aleteados (2 x 69),

tubos con distancias entre centros de 116 mm. La pared enfriada por vapor del techo,

está compuesta de 114 tubos con aleta soldada, con distancias entre centros de 116 mm.

Un sello deslizante se localiza en el pasaje frontal, donde los tubos del sobrecalentador

de radiación van del hogar al cabezal de entrada. Otro sello fijo se localiza donde los

tubos del sobrecalentador de radiación entran al hogar, esto con el objeto de permitir los

movimientos de expansión hacia adelante con relación a los tubos de las paredes del

hogar.



Los medios utilizados para soportar el sobrecalentador se seleccionan cuidadosamente,

considerando la expansión térmica, temperatura del metal, etc.

La primera sección del sobrecalentador divide la parte superior del hogar en caminos de

gases enfriados debido a la transferencia por radiación (1392 mm. cada espacio).

La dirección del flujo en cada grupo de elementos es hacia abajo en los extremos (tubos

frontales y posteriores) y hacia arriba en la parte central, hasta llegar al cabezal de salida

del primer sobrecalentador.

El primer sobrecalentador lo constituyen ocho grupos de elementos verticales (panel)

cuyo diámetro exterior de sus tubos es mayor que en otros, con la finalidad de proteger

al metal.

Esta sección además cuenta con espacios anchos protegidos por grandes superficies de

transferencia.

Cada panel se encuentra fijo por medio de tubos espaciadores enfriados por agua y

vapor para mantener constantes los espacios.

Un grupo de elementos está formado por tubos de 45 mm. ФE con 1392 mm., entre

centros y solo el tubo exterior es de 50.8 mm. ФE con la misma distancia entre centros.

Cada grupo se suspende del techo a través de un haz colgante formado por varillas y

sellos de corona en la parte de entrada.

El segundo sobrecalentador está localizado entre el primero y el arco que forma la

"nariz" del hogar como se puede ver en la Figura 2.2.



Nariz del Hogar

Figura 2.2. Nariz del Hogar.

Está constituido por 37 grupos de elementos (platen) espaciados uniformemente a lo

ancho del hogar. Cada platen es formado por tubos de 48.6 mm. ФE y 348 mm. de

distancia entre centros. Su tipo de arreglo es de dos circuitos verticales.

Cada platen es suspendido del techo a través de un haz colgante por medio de resortes,

varillas y sellos tipo corona. El tercer sobrecalentador se encuentra en la parte superior

del arco que forma la nariz del hogar.

Es constituido por 75 grupos de elementos espaciados uniformemente a lo ancho del

hogar. Cada grupo es formado por tubos de 48.6 mm. ФE y 174 mm. de distancia entre

centros. El sistema de sujeción en éste sobrecalentador es igual al del segundo.

Las partes del sistema del sobrecalentador del generador de vapor, junto con su

nomenclatura y una descripción, se muestran en la Tabla 2.1, el flujo en el

sobrecalentador se muestra en la Figura 2.3.



Tabla 2.1 Descripción de las partes del sistema del sobrecalentador. CLAVE CANTIDAD MEDIDA D E S C R I P C 1 0 N

S-1 16 141.3 mm ǾE Tuberías de conexión de vapor saturado.

S-2 1 219.1 mm ǾE Cabezal de entrada a las paredes Enf. por Vap.

S-3 114 50.8 mm ǾE

63.5 mm ǾE

Tubos del techo de la pared enfriada

por vapor

s-4 114 50.8 mm ǾE Elementos de la pared posterior Enf. por Vap.

S-5 1 355.6 mm ǾE Cabezal tipo "U" de las paredes Enf. por Vap.

S-6 2x69 50.8 mm ǾE Elementos de las paredes laterales Enf. por V.

S-7 2 241.8 mm ǾE Cabezal de salida de las paredes Enf. por Vap.

S-8 4 241.8 mm ǾE Tubería de conexión a la salida de las paredes

enfriadas por vapor

S-9 4 88.9 mm ǾE Tubos de derivación de las paredes Enf. por Vap.

s-10 8 219.1 mm ǾE Tubería de entrada al primer Sobrecalentador

S-1l 4 355.6 mm ǾE Cabezal de entrada del primer Sobrecalentador

S-12 8x40 50.8 mm ǾE

45.0 mm ǾE

Elementos del primer Sobrecalentador

S-13 4 355.6 mm ǾE Cabezal de salida del primer Sobrecalentador

S-l4 4 323.9 mm ǾE Tubería de enlace al primer Atemperador

S-15 4 323.9 mm ǾE Atemperador primario

S-16 4 323.9 mm ǾE Tubería de enlace salida Atemperador primario

S-17 16 355.6 m ǾE Cabezal de entrada segundo Sobrecalentador

S-18 37xl0 48.6 m ǾE Elementos del segundo Sobrecalentador

S-19 1 406.4 mm ǾE Cabezal de salida del segundo Sobrecalentad.

S-20 2 406.4 mm ǾE Tubos de entrada al atemperador secundario

S-21 2 406.4 mm ǾE Atemperador secundario

S-22

S-23

2

1

406.4 mm ǾE

406.4 mm ǾE

Tubos de salida del Atemperador secundario

Cabezal de entrada tercer Sobrecalentador

S-24 75 x 7 48.6 mm ǾE Elementos del tercer Sobrecalentador

S-25 1 457.2 mm ǾE Cabezal de salida del tercer Sobrecalentador

S-26 8

16

63.5 mm ǾE

54.0 mm ǾE

Tubos espaciadores enfriados



Figura 2.3 Diagrama de Flujo del Sobrecalentador



2.1.2 Sistema de Atemperación del Sobrecalentador.

Flujo de Vapor Dentro del Sistema de Atemperación.

El vapor seco saturado, desde el domo fluye sobre el paso posterior de los gases al

cabezal de entrada de las paredes enfriadas por vapor, mediante 16 tubos de conexión.

Este vapor baja por los tubos del techo a la pared posterior, hasta llegar al cabezal "U"

de las paredes enfriadas por vapor.

Después fluye hacia arriba por los tubos que forman las paredes laterales a los cabezales

de salida ubicados en la parte superior; de ahí, a través de cuatro tubos de conexión se

envía al cabezal de entrada del primer sobrecalentador.

El vapor pasa a través de los elementos del primer sobrecalentador, donde se conduce a

los cabezales de salida.

Del cabezal de salida del primer sobrecalentador, se envía al cabezal de entrada del

segundo sobrecalentador por medio de cuatro tuberías de enlace. Entre éstos cabezales

se encuentran los primeros atemperadores del vapor sobrecalentado, como se muestra en

la Figura 2.4.

Después de entrar al cabezal del segundo sobrecalentador, el vapor se conduce por los

elementos al cabezal de salida.

El vapor es enviado del cabezal de salida del segundo sobrecalentador al cabezal de

entrada del tercer sobrecalentador a través de dos tubos de conexión; entre éstos

cabezales se encuentran los segundos atemperadores del vapor sobrecalentado, como se

muestra en la Figura 2.4.

La finalidad de los atemperadores es controlar la temperatura de diseño del vapor a la

salida del tercer sobrecalentador.



El vapor se conduce por los elementos del tercer sobrecalentador hasta el cabezal de

salida, reduciéndose en éste paso el desbalance de temperatura a la salida.

Finalmente el vapor sobrecalentado se envía de éste cabezal a la turbina, a través de dos

tuberías de vapor principal.



Figura 2.4. Líneas de atemperación del sobrecalentador.

S-25

S-24

S-23

S-22

S-2

1

S-2

1

S-19

S-18

S-17

S-16

S-1

5

S-1

5

S-1

5

S-1

5

S-14

S-13 S-13 S-13 S-13

S-12

A LA TURBINA DEALTA PRESIÓN

BOMBAS DE ALIMENTACIÓN

TOBERAS DE FLUJO

TRANSMISORDE FLUJO

VÁLVULAS DE PURGA

VÁLVULA DE PARO DE LA ATEMPERACIÓN AL SOBRECALENTADOR

VÁLVULA DE DERIVACIÓN

VÁLVULA DE BLOQUEO

VÁLVULA DE CONTROLDE ATEMPERACIÓN DE SOBRECALENTADOR



Descripción de la Posición de los Atemperadores del Sobrecalentador.

Los cuatro atemperadores primarios están instalados en las tuberías de conexión del

cabezal de salida del primer sobrecalentador con el cabezal de entrada del segundo

sobrecalentador.

Los dos atemperadores secundarios están instalados en los enlaces que conectan el

cabezal de salida del segundo sobrecalentador con el cabezal de entrada del tercer

sobrecalentador. El agua en forma de rocío se inyecta en el extremo de entrada de cada

atemperador para hacer posible la reducción de la temperatura de vapor cuando sea

necesario, y mantener la misma a su valor de diseño dentro de los límites de capacidad

de la tobera.

La Figura 2.4, muestra el atemperador del sobrecalentador.

Operación del Atemperador.

Este consiste en la inyección de agua con un alto grado de pureza, directamente en el

tubo principal de vapor o en una cámara mezcladora. El agua se inyecta mediante una

serie de espreas en la garganta del tubo venturi, formando una niebla fina. Esta

rápidamente se vaporiza, mezclándose con el vapor sobrecalentado, para enfriarlo a

continuación.

Estaciones de Control

Una válvula de control, enlazada a una unidad de control automático, regula el flujo de

agua de atemperación que se suministra a cada atemperador, como se puede ver en la

Figura 2.4.

Válvulas de bloqueo están instaladas en las líneas de suministro de agua a las estaciones

de control del atemperador como válvulas de cierre adicionales, para prevenir fugas a

través de las válvulas de control cuando éstas son cerradas.



Las válvulas de bloqueo deberán cerrarse cuando la atemperación no se requiera. Una

válvula operada manualmente se suministra sobre ambos lados de cada válvula de

control para permitir el aislamiento de la misma, cuando se requiera.

Una válvula de control manual en la línea de by-pass alrededor de la válvula de control

automático y las dos válvulas de aislamiento se utilizan únicamente en el caso de una

emergencia ó cuando una válvula de control automático requiera mantenimiento.

La fuente del agua de atemperación es desde el circuito de agua de alimentación y es

importante que la línea de toma esté situada arriba de la inyección de sustancias

químicas. Es esencial que el agua de atemperación sea químicamente pura y libre de

sólidos, con el fin de prevenir depósitos químicos en el sobrecalentador y arrastres a la

turbina.

Cada atemperador está equipado con un recubrimiento renovable para absorber la

erosión causada por la corriente del agua de atemperación, protegiendo así la cubierta

principal del atemperador.

2.1.3 Control de Temperatura de Vapor Sobrecalentado

El objetivo de este sistema es controlar aproximadamente en 541°C la temperatura de

vapor sobrecalentado.

Está formado por dos partes independientes: la primera, controla la temperatura de

salida del sobrecalentador secundario. Y para lograrlo, regula el flujo de agua de

atemperación, la cual se atomiza en cuatro atemperadores, tal y como puede verse en la

Figura 2.5.

La segunda etapa comprende el control de la temperatura de vapor principal. Para

lograrlo, dispone de dos atemperadores ubicados en la entrada al sobrecalentador

terciario, tal y como puede observarse en la Figura 2.5.



La respuesta de ambas etapas del control es la siguiente: al variar la temperatura del

vapor a un valor mayor que el valor de ajuste para la carga actual, el control mandará

abrir las válvulas de atemperación hasta que la temperatura del vapor baje nuevamente a

su valor normal. Si la temperatura disminuye a un valor menor que el valor de ajuste, el

control ordenará cerrar las válvulas de atemperación, hasta lograr que la temperatura del

vapor suba a su valor normal.

Figura 2.5. Control de temperatura actual del vapor sobrecalentado.

Actualización a Implementar.

El sistema de control de atemperación, se encarga de controlar la temperatura del vapor

principal por medio de la regulación del flujo de agua de enfriamiento al atemperador,

esta regulación se hace en cada atemperador por medio de un lazo de control

implementado por un elemento primario de medición de temperatura, un transmisor de

temperatura, un controlador unitario de temperatura y una válvula de control de

temperatura, como se puede ver en la Figura 2.6.



Figura 2.6. Lazo de control de temperatura de un atemperador.

En el lazo de control del atemperador, un controlador unitario, se encuentra en cada uno

de los lazos de control de las etapas de atemperación, la desventaja de esta

configuración, es el número de controladores unitarios que integran a este sistema de

control.

En cada etapa de atemperación dentro del sistema, además de no poseer una

comunicación adecuada con el cuarto de control, que pueda veneficiar en el monitoreo

constante de los parámetros del atemperador, algunos de los cuales son la temperatura

de las etapas de sobrecalentamiento, así como también las aperturas de las válvulas de

control de agua de enfriamiento.

La actualización propuesta en este trabajo es cambiar el sistema de control de las etapas

de atemperación de controles unitarios analógicos, a un control lógico-digital por medio

de un controlador lógico programable (PLC).

Por medio del PLC, se eliminaran los controles unitarios de cada una de las etapas de

atemperación, integrando el control de las dos etapas a una sola unidad de control que se

encargue de la regulación de estas.

El sistema propuesto se muestra en la Figura 2.7.



Figura 2.7. Actualización del control de temperatura del vapor sobrecalentado.

2.2 Análisis del Sistema de Atemperación.

2.2.1 Análisis Térmico del Sistema de Sobrecalentado de Vapor del Generador de

Vapor.

Para estar en la posibilidad de hacer una propuesta para la actualización del sistema de

control de atemperación del sistema de sobrecalentado, se hace necesario hacer un

análisis térmico del sistema de sobrecalentamiento de vapor del generador de vapor.

El análisis térmico tiene el fin de obtener los valores de algunos de los parámetros

térmicos en cada una de las partes que integran el sistema de sobrecalentamiento del

generador de vapor a diferentes cargas de trabajo, esto con la intención de tener una

referencia en la cual basarse al momento de hacer el análisis de la respuesta temporal

para generar la propuesta de actualización del sistema de control de atemperación del

sobrecalentador del generador de vapor.

Para poder realizar el análisis térmico del sistema de sobrecalentado del generador de

vapor, se recurre al diagrama que se muestra a continuación Figura 2.8.



En la Figura 2.8, se muestra un esquema de las secciones del sistema de sobrecalentado,

el cual esta integrado por tres partes como se explico en el primer capítulo de este

trabajo, así como también se presentan los parámetros que se desean obtener por medio

de este análisis térmico.

Figura 2.8. Diagrama esquemático del sistema de sobrecalentado del generador de vapor.

En la figura 2.8, se representan las secciones del sobrecalentador como “SH”, seguido

de un guión con el número del sobrecalentador, como ejemplo, la sección secundaria del

sobrecalentador esta representado por “SH-2”.

Cabe señalar que en este análisis, las paredes enfriadas por vapor y el sobrecalentador

primario se toman como una sola sección de sobrecalentamiento, la cual es la sección

primaria del sobrecalentador, esta medida se toma con el fin de facilitar el análisis

térmico, esto por medio de la suposición de que las condiciones de entrada del vapor al

sobrecalentador, son las condiciones del vapor de salida del domo superior, las cuales

son conocidas primeramente por datos de evaporación del agua en un proceso isobárico,

y en segundo termino por tablas de comportamiento esperado del generador de vapor

(presentada en la sección de anexos de este trabajo).

Tomando los valores ya conocidos de los parámetros iniciales del sistema de

sobrecalentado a diferentes cargas del generador de vapor, se tiene en la Tabla 2.2.



Tabla 2.2. Parámetros conocidos de sistema de sobrecalentado del generador de vapor a

diferentes porcentajes de carga de trabajo de la unidad.

Teniendo los datos presentado en la tabla 2.2, así como también suponiendo que es un

proceso isobárico, en el cual la presión en todo el proceso se mantiene constante, en este

caso el valor es el que se presenta en la misma Tabla 2.2, a las diferentes cargas de

operación de unidad (del generador de vapor), se obtienen los valores de las entalpías y

de las densidades del vapor a las diferentes cargas de trabajo a las temperaturas

conocidas por medio de tablas de vapor.

Antes de pasar a su obtención, cabe mencionar que los valores de las tablas de vapor se

encuentran valores diferentes de temperaturas a los conocidos, a presiones diferentes de

la presión conocida, por esta cuestión se hace necesario el uso de interpolaciones

lineales, para fines de explicación del procedimiento ocupado, se presenta en la Figura

2.9, la presentación de los datos para ocupar la interpolación lineal, y en la ecuación 2-

1, se presenta la formula de la interpolación lineal para la obtención de los datos.



Figura 2.9. Presentación de datos para el cálculo del dato “Y” mediante la interpolación

lineal.

( )12 1 1

2 1

X XY Y Y YX X

⎛ ⎞−= • − +⎜ ⎟−⎝ ⎠

(2-1)

Teniendo establecido el método para obtener las entalpías y las densidades de cada uno

de los valores conocidos, se pasa a calcularlos, y así se obtienen los resultados que se

muestran en la Tabla 2.2.

Tabla 2.3. Valores de las entalpías y densidades calculas de tablas de vapor en base a las

temperaturas conocidas.

Suponiendo que el calor añadido en toda la etapa de sobrecalentado es igual a QT, y que

en cada sección de sobrecalentado añada calor al vapor en la misma proporción, se

muestra en la Figura 2.3 el diagrama de la distribución del calor suministrado al vapor

que pasa en el sobrecalentador.



Figura 2.10. Diagrama del calor añadido al vapor en cada una de las secciones del

sobrecalentador.

A partir del conociendo los valores de entalpías de entrada y salida del sobrecalentador

a cada uno de los porcentajes de carga de la unidad, se pasa a calcula el calor añadido

por toda la sección de sobrecalentado al 100% de carga, el cual se calcula con la

ecuación 2-2.

T out inQ h h= − (2-2)

Sustituyendo valores al 100% de carga en la ecuación 2-2, el resultado queda expresado

en la ecuación 2-3.

3398.2 2618.7 779.5TKJ KJ KJQKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-3)

En base a la distribución de los calores en toda la sección de sobrecalentado que se

mostró en el diagrama de la Figura 2.10, se calculan los calores individuales de cada

una de las secciones del sobrecalentador por medio de la ecuación 2-4.

3TQQ = (2-4)

Sustituyendo los valores del calor total agregado al vapor, se obtiene el valor del calor

añadido en cada una de las secciones de sobrecalentado como se muestra en la ecuación

2-5.



779.5259.83

3

KJKg KJQ

Kg

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠= =

(2-5)

Teniendo el calor añadido en cada una de las secciones de sobrecalentado, se pasa a

plantear las ecuaciones para obtener cada una de las entalpías de cada una de las

secciones del sobrecalentador, esto en base a las entalpías de entrada y salida de cada

una de las secciones del sobrecalentador así como también en base al calor añadido en

cada una de estas secciones del sobrecalentador, esto se muestra en el diagrama de la

Figura 2.11.

Figura

2.11. Diagrama de entalpías de entrada y salida de cada una de las secciones del

sobrecalentador.

Teniendo contempladas las entalpías de entrada y salida de cada una de las secciones

del sobrecalentador, así como también los calores añadidos por sección, se pasa a

plantear cada una de las ecuaciones para obtener el calor de cada una de las secciones

del sobrecalentador.

• Para la sección primaria del sobrecalentador (SH-1).

2618.7 KJQ hxKg

= −

(2-5)

• Para la sección secundaria del sobrecalentador (SH-2).

1Q hx hx= − (2-6)



• Para la sección terciaria del sobrecalentador (SH-3).

1outQ h hx= − (2-7)

Desarrollando las ecuaciones 2-5 & 2-6 y sustituyendo sus valores para obtener a hx1 &

hx2 se obtiene:

259.83 2618.7 2878.53KJ KJ KJhxKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-8)

1 259.83 2878.53 3138.36KJ KJ KJhxKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-9)

Conociendo todas las entalpías de las secciones del sobrecalentador, mostrando sus

valores en la Tabla 2.3, se pasa a calcular las temperaturas en cada uno de los puntos

que se mostraron en el diagrama de la Figura 4, esto tomando como referencia que estas

entalpías fueron calculadas a presión constante (como se había mencionado

anteriormente el un proceso isobárico).

Tabla 2.4. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 2-6, 2-7 & 2-8.



Habiendo calculado las entalpías de cada una de las secciones del sobrecalentador, se

pasa a calcular las temperaturas de cada una de las secciones, esto es en base a las

entalpías ya conocidas y a la presión que se manejo como constante, estos valores son

obtenidos de tablas de vapor, estas se obtienen interpolando linealmente valores de las

tablas de vapor como a continuación se presenta.

• Para 2878.53xKJhKg

=

Con los datos adquiridos de tablas de vapor que se van a utilizar para obtener el valor de

la temperatura para hx, se calcula el valor de la temperatura a cada presión que marcan

las tablas de vapor por medio de interpolaciones lineales como se muestra en las Tablas

2-5 y 2-6.

Tabla 2.5. Cálculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una presión de 160

bares.

Para una presión de P=160 bar. proporcionada por tablas de vapor:

X1 X X2

2715.8 KJKg

2878.53 KJKg

2947.6 KJKg

Y1 Y Y2

360°C 388.0811 C° 400°C


bares.


X1 X X2

2564.5 KJKg

2878.53 KJKg

2887.0 KJKg

Y1 Y Y2

360 C° 398.949 C° 400 C°



Habiendo obtenido los valores de la temperatura correspondientes a la entalpía “hx” a

dos presiones diferentes, se pasa ha calcular el valor real de la temperatura

correspondiente a la entalpía “hx” a la presión del proceso, esto por medio de otra

interpolación lineal. Los resultados de este cálculo se muestran en la Tabla 2.7.

Tabla 2.7. Cálculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una presión de 173.65

bares por medio de una segunda interpolación.

Para una presión de P=173.675 bar = 177.1 Kg/cm2 y con las entalpías calculadas

a 160 y 180 bares, se calcula la temperatura a la presión deseada:

X1 X X2

160BAR 173.675BAR 180BAR

Y1 Y Y2

388.08 C° 395.5116°C 398.949°C

• Para 1 3138.36xKJhKg

=


la temperatura para hx1, se calcula el valor de la temperatura a cada presión que marcan


2.8 y 2.9

Tabla 2.8 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una presión de 160

bares.


X1 X X2

3103.7 KJKg

3138.36 KJKg

3234.4 KJKg

Y1 Y Y2

440 C° 450.607 C° 480 C°



Tabla 2.9 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una presión de 180

bares.


X1 X X2

3062.8 KJKg

3138.36 KJKg

3203.2 KJKg

Y1 Y Y2

440 C° 461.527 C° 480 C°

Habiendo obtenido los valores de la temperatura correspondientes a la entalpía “hx1” a


correspondiente a la entalpía “hx1” a la presión del proceso, esto por medio de otra

interpolación lineal.

Los resultados de este cálculo se muestran en la Tabla 2.10.

Tabla 2.10. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una presión de 173.65




X1 X X2

160BAR 173.675BAR 180BAR

Y1 Y Y2

450.607 C° 458.073 C° 461.527 C°

Después de haber hecho los cálculos para el 100% de carga de trabajo en la unidad, se

pasa ha realizar los cálculos a un 75% de carga de trabajo.

En base a los valores de entalpías de entrada y salida del sobrecalentador, se pasa a

calcula el calor añadido por toda la sección de sobrecalentado al 75% de carga, el cual

se calcula con la ecuación 2-2.






3398.2 2559.3 838.9TKJ KJ KJQKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-10)




3TQQ = (2-4)

Sustituyendo los valores del calor total agregado al vapor, se obtiene el valor del calor

añadido en cada una de las secciones de sobrecalentado como se muestra en la ecuación

2-5.

838.9279.63

3

KJKg KJQ

Kg

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠= =

(2-11)





cada una de estas secciones del sobrecalentador, esto refiriéndose al diagrama que se

mostró en la Figura 2.11.





Así como también los calores añadidos por sección, se pasa a plantear cada una de las

ecuaciones para obtener el calor de cada una de las secciones del sobrecalentador.


2559.3 KJQ hxKg

= − (2-12)


1Q hx hx= − (2-13)


1outQ h hx= − (2-14)

Desarrollando las ecuaciones 2.13 & 2.14 y sustituyendo sus valores para obtener a hx1

& hx2 se obtiene:

279.63 2559.3 2838.93KJ KJ KJhxKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-15)

1 279.63 2838.93 3118.56KJ KJ KJhxKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-16)


valores en la tabla 2.8, se pasa a calcular las temperaturas en cada uno de los puntos que

se mostraron en el diagrama de la Figura 2.11, esto tomando como referencia que estas

entalpías fueron calculadas a presión constante (como se había mencionado

anteriormente tomando el proceso isobárico).



Tabla 2.11. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 2-13, 2-14 & 2-15.







=




2.12 y 2.13.


bares


X1 X X2

2715.8 KJKg

2838.93 KJKg

2947.6 KJKg

Y1 Y Y2

360 C° 381.247 C° 400 C°

.




bares.


X1 X X2

2564.5 KJKg

2838.93 KJKg

2887.0 KJKg

Y1 Y Y2

360 C° 394.037 C° 400 C°





Tabla 2.14. Cálculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una presión de

173.65 bares por medio de una segunda interpolación.



X1 X X2

160BAR 173.675BAR 180BAR

Y1 Y Y2

381.247 C° 389.992 C° 394.037 C°


=




2.15 y 2.16.



Tabla 2.15 Cálculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una presión de 160

bares.


X1 X X2

3103.7 KJKg

3118.56 KJKg

3234.4 KJKg

Y1 Y Y2

440 C° 444.547 C° 480 C°


bares.


X1 X X2

3062.8 KJKg

3118.56 KJKg

3203.2 KJKg

Y1 Y Y2

440 C° 455.886 C° 480 C°





Tabla 2.17. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una presión de 173.65




X1 X X2

160BAR 173.675BAR 180BAR

Y1 Y Y2

444.547 C° 452.300 C° 455.886 C°



Teniendo los valores de las temperaturas para el 100% y 75% de carga de trabajo en la

unidad, lo siguiente es realizar los cálculos a un 50% de carga de trabajo.

En base a los valores de entalpías de entrada y salida del sobrecalentador, se pasa a

calcula el calor añadido por toda la sección de sobrecalentado al 50% de carga, el cual

se calcula con la ecuación 2-2.




3398.2 1686.2 1712TKJ KJ KJQKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-17)




3TQQ =

(2.4)

Sustituyendo los valores del calor total agregado al vapor al 50% de carga, se obtiene el

valor del calor añadido en cada una de las secciones de sobrecalentado como se muestra


1712570.66

3

KJKg KJQ

Kg

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠= =

(2-18)







cada una de estas secciones del sobrecalentador, esto refiriéndose al diagrama que se

mostró en la Figura 2.11.


del sobrecalentador, así como también los calores añadidos por sección, se pasa a

plantear cada una de las ecuaciones para obtener el calor de cada una de las secciones



1686.2 KJQ hxKg

= −

(2-19)


1Q hx hx= − (2-20)


13398.2 KJQ hxKg

= −

(2-21)

Desarrollando las ecuaciones 2-20 & 2-21 y sustituyendo sus valores para obtener a hx1

& hx2 se obtiene:

570.66 1686.2 2256.86KJ KJ KJhxKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-22)



1 570.66 2256.86 2827.52KJ KJ KJhxKg Kg Kg

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2-23)


valores en la Tabla 2.18, se pasa a calcular las temperaturas en cada uno de los puntos

que se mostraron en el diagrama de la Figura 2.11, esto tomando como referencia que

estas entalpías fueron calculadas a presión constante (como se había mencionado

anteriormente tomando el proceso isobárico).

Tabla 2.18. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 2-22 y 2-23.







=




2.19 y 2.20.




bares.


X1 X X2

2726.8 KJKg

2256.86 KJKg

2954.2 KJKg

Y1 Y Y2

360 C° 354.4 C° 400 C°


bares.


X1 X X2

2588.3 KJKg

2256.86 KJKg

3067.8 KJKg

Y1 Y Y2

360 C° 394.037 C° 400 C°





Tabla 2.21. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una presión de




X1 X X2

160BAR 173.675BAR 180BAR

Y1 Y Y2

353.247 C° 354.4 C° 355.037 C°




=




2.22 y 2.23

Tabla 2.22 Cálculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una presión de

160 bares.


X1 X X2

2715.8 KJKg

2827.52 KJKg

2947.6 KJKg

Y1 Y Y2

360 C° 379.278 C° 400 C°


bares.


X1 X X2

2564.5 KJKg

2827.52 KJKg

2887.0 KJKg

Y1 Y Y2

360 C° 392.662 C° 400 C°







Tabla 2.24. Cálculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1” a una presión de




X1 X X2

160BAR 173.675BAR 180BAR

Y1 Y Y2

379.278 C° 388.401 C° 392.622 C°

Teniendo calculadas las temperaturas y las entalpías de cada una de las secciones del

sobrecalentador a cada una de las cargas de trabajo de la unidad, se muestran los

resultados obtenidos del análisis térmico del sistema de sobrecalentado en la Tabla 2.25.

Tabla 2.25. Resultados obtenidos mediante el análisis térmico del sistema de

sobrecalentamiento del generador de vapor a tres diferentes cargas de trabajo del generador de

vapor.



2.2.2 Análisis Termodinámico del Sistema de Atemperación del Sistema de

Sobrecalentado.

Descripción del Atemperador.

Atemperador tipo atomizador, es del tipo de contacto directo. Este sistema consiste en la

inyección de agua de alto grado de pureza, directamente en el tubo principal del vapor.

El agua se inyecta mediante una serie de espreas en la garganta de un tubo venturi,

formando una niebla fina. Esta es rápidamente vaporizada, mezclándose primeramente

con el vapor sobrecalentado, para enfriarlo.

Análisis del Intercambiador de Calor de Contacto Directo

En un intercambiador de calor de contacto directo, el proceso que se lleva dentro de él,

se tipifica por el mezclado de una corriente fría y una corriente caliente para formar una

sola corriente que tiene una temperatura intermedia.

Esta temperatura suele ser la variable controlada, aun cuando también puede controlarse

el flujo de la mezcla. Los balances de masa se muestran en la ecuación 2-24, y el

balance de energía se muestra en la ecuación 2-25.

H CW W W+ = (2-24)

H H C CW H W H WH+ = (2-25)

En donde W es el flujo másico y, H es la entalpía de la mezcla y los subíndices

identifican las corrientes de admisión caliente H y fría C. La entalpía de la mezcla se

encuentra al combinar los dos balances como se muestra en la ecuación 2-3.

( )HC H C

H C

WH H H HW W

= + −+

(2-26)



Si los dos fluidos tienen la misma capacidad calorífica y no se tiene cambio de fase, las

entalpías pueden sustituirse por las temperaturas como se ve en la ecuación 2.4.

11 1

C

H C

T TT T R

−=

− + (2-27)

En donde R = WH/WC.

Análisis Térmico de los Atemperadores del Sistema de Sobrecalentado.

En base a los datos obtenidos de las tablas de comportamientos esperados del generador

de vapor, se genero el análisis termodinámico de las dos etapas de atemperación del

sobrecalentador del generador de vapor.

Este análisis se basa en el análisis de un intercambiador de calor de contacto directo,

visto en secciones anteriores de este trabajo.En la figura 2.12, se muestran el diagrama

con los datos máximos de temperatura y entalpías de los puntos en donde se encuentran

colocadas las etapas de atemperación del sistema de sobrecalentamiento.

Figura 2.12. Diagrama de las posiciones de los atemperadores dentro del sistema de

sobrecalentado mostrando los datos de valores máximos en estos puntos.

En base a los valores presentados en la Figura 2.12 y a los valores de flujos máximos de

agua de atemperación obtenidos de las tablas de comportamiento esperado del

generador de vapor y a los valores de las temperaturas de agua de atemperación,

calculados mediante el programa “Análisis Termodinámico de una Central

Termoeléctrica”, consultado de la referencia [12].



Este programa fue utilizado por que en él se genera el análisis termodinámico de todo el

ciclo de la central termoeléctrica, así pues de este programa se obtuvieron los valores

ideales del agua de atemperación esta proveniente del punto 18 de este análisis.

El punto 18 es la salida de las bombas de agua de alimentación, este punto se considero

por que en los manuales del generador de vapor se especifica que de este punto se extrae

el agua que alimenta a los atemperadores, esta agua se tiene a la presión del proceso

dentro de todo el generador de vapor, por lo cual reúne uno de los requisitos de este

proceso que es una presión constante.

La Figura 2.13, muestra la portada de este programa.

Figura 2.13. Portada del Programa “Análisis Termodinámico de una Central Termoeléctrica”

ocupado para el cálculo de algunos de los parámetros para el análisis de los atemperadores del

sobrecalentador.

Habiendo obtenido todos los datos necesarios para realizar este análisis, estos se




Tabla 2.26. Datos ocupados para analizar termodinámicamente a los atemperadores del sistema

de sobrecalentado.

Enseguida se plantean los valores de cada una de las variables de la ecuación 2-25, esta

ecuación tomada del punto 2.2.2 de este trabajo, esta hace referencia al análisis

termodinámico de un intercambiador de calor de contacto directo, estos valores se


Tabla 2.27. Datos obtenidos para el análisis del atemperador por medio de la ecuación

2.25.

NOTA: Los valores de las entalpías presentados en la tabla anterior fueron calculados a

partir de tablas de vapor obtenidas de la referencia [11], los valores se calcularon por

medio de interpolaciones lineales.

Teniendo todos los datos planteados, se pasa a hacer los análisis termodinámicos de

cada una de las etapas de atemperación.

• Atemperación Primaria:

Ocupando la ecuación 2-25 para realizar el análisis de la primera atemperación,

sustituyendo los valores se tiene:



301.68841.4325 2951.0 841.4325

301.68 7.05

KgKJ KJ KJsH

Kg KgKg Kg Kgs s

⎛ ⎞⎜ ⎟⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎝ ⎠= + • −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎛ ⎞⎝ ⎠ ⎝ ⎠+⎜ ⎟

⎝ ⎠

(2-28)

Dando como resultado:

2895.77 KJHKg

=

Teniendo la entalpía del vapor atemperado, se pasa a calcular la temperatura del vapor

atemperado a la presión de proceso, esto por medio de interpolaciones lineales, como

resultado de este calculo se obtuvo:

• Para una entalpía de 2895.77 KJHKg

= a una presión de 2177.1 Kgcm

, la

temperatura del vapor es: 398.51 C°

Teniendo la temperatura del vapor atemperado y teniendo la temperatura del vapor a la

entrada del atemperador, se calcula la diferencia de temperaturas entre vapor

atemperado y el vapor de entrada al atemperador por medio de la ecuación 2-29.

410 398.51in outT T T C CΔ = − = ° − ° (2-29)


11.49T CΔ = °

Continuando con este análisis, se pasa a hacer los cálculos para el atemperador

secundario.



• Atemperación Secundario:

Ocupando la ecuación 2-25 para realizar el análisis de la segunda atemperación,

sustituyendo los valores se tiene:

301.68841.4325 3228 841.4325

301.68 8.11

KgKJ KJ KJsH

Kg KgKg Kg Kgs s

⎛ ⎞⎜ ⎟⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎝ ⎠= + • −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎛ ⎞⎝ ⎠ ⎝ ⎠+⎜ ⎟

⎝ ⎠

(2-30)


3165.52 KJHKg

=

Teniendo la entalpía del vapor atemperado, se pasa a calcular la temperatura del vapor

atemperado a la presión de proceso, esto por medio de interpolaciones lineales, como

resultado de este calculo se obtuvo:

• Para una entalpía de 3165.52 KJHKg

= a una presión de 2177.1 Kgcm

, la

temperatura del vapor es: 465.9 C°

Teniendo la temperatura del vapor atemperado y teniendo la temperatura del vapor a la

entrada del atemperador, se calcula la diferencia de temperaturas entre vapor

atemperado y el vapor de entrada al atemperador por medio de la ecuación 2-25.

485 465.9in outT T T C CΔ = − = ° − ° (2-31)


19.1T CΔ = °



Habiendo hecho el análisis de las dos atemperaciones del sistema de sobrecalentado,

con esto obteniendo las temperaturas del vapor a la entrada del atemperador y las

temperaturas de salida del vapor atemperado, se puede observar la diferencia de estas

temperaturas, esta ocasionada por la inyección del agua para atemperar a esta vapor.

Así comprobando el desempeño de los atemperadores y con esto planteando la mayor

disminución de temperatura en el sistema, este dato es esencial para la simulación de la

respuesta temporal del sistema.



Capitulo 3:

Simulación en Función del Tiempo del

Sistema de Sobrecalentado de Vapor del

Generador de Vapor.



3.1 Consideraciones para Modelar Matemáticamente el Sistema de

Sobrecalentado.

Para obtener un modelo matemático con el cual se pueda tener un representación del

sistema de sobrecalentado para su posterior simulación, es necesario plantear las

expresiones matemáticas necesarias con las cuales se pueda representar la respuesta

temporal de este sistema a las diferentes variables de entradas que puedan influir en

este.

Por lo anterior, se presenta en la Figura 3.1 un esquema del sistema. En este esquema,

se presentan las variables que nos interesa controlar, así como también se muestran las

variables que afectan o que pueden perturbar a la dinámica del sistema de

sobrecalentado.

Figura 3.1. Diagrama del sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor.

Como se puede ver en el esquema de la Figura 3.1, el sistema de sobrecalentamiento de

vapor se integra de tres intercambiadores de calor (secciones del sobrecalentador o

sobrecalentadotes), estos se encuentran dentro del generador de vapor, específicamente

dentro del hogar del generador de vapor, en el camino de salida de los gases de

combustión.

Por lo cual, los sobrecalentadotes tienen un intercambio de calor con estos gases

productos de la combustión que se lleva acabo dentro de generador, esto representador

por Tg SH-1 como temperatura de los gases de combustión en el sobrecalentador primario,

Tg SH-2 como temperatura de los gases de combustión en el sobrecalentador secundario y

Tg SH-3 como temperatura de los gases de combustión en el sobrecalentador terciario.



Tomando en cuenta este intercambio de calor, se puede decir que cada uno de los

sobrecalentadores son un sistema no-adiabático (es decir que el sistema tiene un

intercambio de energía con el medio que lo rodea, en este caso los gases de combustión

del generador de vapor), por esta cuestión, en este trabajo se decidió modelar

matemáticamente cada uno de los sobrecalentadores esto haciéndolo

independientemente y tomarlos como sistemas no-adiabáticos, suponiendo que el medio

en que están inmersos son completamente gases provenientes de la combustión del

generador de vapor.

Como una consideración final, en este trabajo se presenta solamente el desarrollo del

modelado matemático de una sección del sobrecalentador, esto se toma por que el

desarrollo de los modelos matemáticos de los tres sobrecalentadores son los mismos.

3.2 Balance de Energía.

Para llevar a cabo el desarrollo del modelo matemático de una de las secciones del

sobrecalentador del generador de vapor, es necesario plantear el balance de energía para

esta, el cual se presenta a continuación.

Teniendo en cuenta que el balance de energía como se muestra en el esquema de la

Figura 3.2.

Figura

3.2. Esquema de un balance de energía.

3.3 Balance de Energía Aplicado al Sistema de Sobrecalentado de Vapor.

Aplicando el esquema de la Figura 3.2 al balance de energía para una de las secciones

del sistema de sobrecalentado se puede representar como se muestra en la ecuación 3-1:



( ) ( ) ( ) ( )oin o a

dQ tQ t Q t Q t

dt= − +

(3-1)

En donde:

( ) :odQ tdt

Es la tasa de cambio del calor del vapor dentro de la sección de

sobrecalentado

( ) :inQ t Es el calor del vapor a la entrada de la sección de sobrecalentado

( ) :oQ t Es el calor del vapor a la salida de la sección de sobrecalentado

( ) :aQ t Es el calor que se intercambia con los gases de la combustión del generador

de vapor

Así también para ( )odQ tdt

esta es igual;

( ) ( )( )oo d m h tdQ tdt dt

∗=

(3-2)

Para ( )inQ t esta es igual;

( ) ( ) ( )in mi iQ t F t h t= (3-3)

Para ( )outQ t esta es igual

( ) ( ) ( )o mo oQ t F t h t= (3-4)

Para ( )aQ t esta es igual;

( ) ( ) ( )( )a a oQ t UA T t T t= − (3-5)

De donde las variables que se muestran anteriormente son:

m Masa de vapor dentro de la sección del sobrecalentador dado en [Kg].

( )miF t Flujo másico de entrada a la sección del sobrecalentador dado en [Kg/s].

( )moF t Flujo másico a la salida de la sección del sobrecalentador dado en [Kg/s].

( )ih t Entalpía de entrada a la sección del sobrecalentador dado en [J/Kg].

( )oh t Entalpía a la salida de la sección del sobrecalentador dado en [J/Kg].



U Coeficiente global de transferencia de calor dado en [J/°C*s*m2]

( )aT t Temperatura de los gases de combustión del generador de vapor dado en [°C]

( )outT t Temperatura de salida del vapor sobrecalentado dado en [°C]

Teniendo en cuenta de que la entalpía es la cantidad de energía interna de una masa y

que esta no se mide, sino que es infiere (es decir, se utilizan ecuaciones para obtenerla),

es necesario tener la ecuación 3-6.

ph C T= (3-6)

En base a la ecuación para obtener la entalpía, es necesario plantear la definición del Cp,

la cual es:

Capacidad Calorífica (Cp o Cv): Cantidad de energía necesaria para elevar en 1°C la

temperatura de una masa de 1gr, esta cantidad se obtiene mediante:

(en °K)pQ J hC

m T C Kg T= = =

Δ ° ∗

(3-7)

Teniendo en cuenta que la capacidad calorífica se calcula a presión constante (Cp) y es

diferente a la capacidad calorífica a volumen constante (Cv), estas se relacionan

mediante la ecuación 3-8.

p vC C R− = (3-8)

De donde:

pC Capacidad calorífica a presión constante dado en [J/°C*Kg].

vC Capacidad calorífica a volumen constante dado en [J/°C*Kg].



Constante universal de los gases ideales

[ ]8.3145 0.4619 para vapor de aguaJ JRKmol C Kg C

= =° °

Para cuestiones del modelado, se hace necesario convertirlo a flujo volumétrico, esto

por la cuestión de que en la tasa de acumulación, es necesario tener el valor de la masa

de vapor dentro de la sección del sobrecalentador y esta se desconoce, pero como se

tiene un flujo másico y se conoce el volumen interno de la sección de sobrecalentado y

la densidad de entrada del vapor, se puede calcular con los datos obtenidos mediante el

análisis termodinámico que ya se realizo en secciones anteriores de este trabajo, se pasa

a plantear las ecuaciones para el flujo dentro de la sección de sobrecalentado.

Haciendo referencia a que el flujo másico, este es igual a:

m vF F ρ= • (3-9)

De donde cada una de los parámetros de la ecuación 8 son:

mF Flujo másico dado en [Kg/s].

vF Flujo másico dado en [m3/s].

ρ Densidad dada en [Kg/m3].

Ya habiendo definido todos los parámetros que se involucran en el balance de energía

que se planteo en la ecuación 3-1, se pasa ha hacer la sustitución de ellos en los

miembros de esta ecuación obteniendo:

( ) ( ) ( ) ( )( )00 0v v p i v p a

dTVC F C T t F C T t UA T t T tdt

ρ ρ ρ= − − − (3-10)

Tomando en cuenta que las variables en la ecuación 3-10, tienen condiciones iniciales

diferentes a cero, por lo tanto se pasa a plantear a la ecuación 3-11, la cual toma

condiciones iniciales iguales a cero.



( )00 0i av v p v p

dTVC F C T F C T UA T Tdt

ρ ρ ρ= − − − (3-11)

Ahora restando la ecuación 3-10 menos la ecuación 3-11, se tiene:

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )0 00 0 iv p i v p a v p v p aF C T t F C T t UA T t T t F C T F C T UA T Tρ ρ ρ ρ⎡ ⎤⎡ ⎤− − − − − − −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (3-12)

Haciendo un solo término de la ecuación 3-12 da como resultado:

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )0 00 0 i av p i v p a v p v pF C T t F C T t UA T t T t F C T F C T UA T Tρ ρ ρ⎡ ⎤− − − − + + −⎣ ⎦ (3-13)

Efectuando la resta de estas dos ecuaciones se tiene:

( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )000 00 0i av p i v p a v

d T t TF C T t T F C T t T UA T t T T t T VC

dtρ ρ ρ

−− − − − − − − =

(3-14)

Tomando como variables de desviación a:

( ) ( )iT iit T t T= − (3-16)

( ) ( )oT oot T t T= − (3-17)

( ) ( )aT aat T t T= − (3-18)

Sustituyendo estas variables en la ecuación 3-14, se tiene:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )0i 0 0 a

TT T T Tv v p v p

d tVC F C t F C t UA t t

dtρ ρ ρ= − − −

(3-19)

Factorizando los miembros de la ecuación 3-19:

( ) ( ) ( ) ( )0i 0 a

TT T Tv p p

d tVC Fv C t t Fv Cp UA UA t

dtρ ρ ρ⎡ ⎤= − + +⎣ ⎦ (3-20)



Transformando al dominio de laplace a la ecuación 3-20, se tiene:

( ) ( ) ( ) ( )0 0 aT T T Tv v p v p iVC S s s F C UA F C s UA sρ ρ ρ⎡ ⎤= − + + +⎣ ⎦ (3-21)

Despejando a ( )0T s del lado izquierdo de la igualdad:

( ) ( ) ( ) ( )0 0v pv

i av p v p v p

F CVC UAST s T s T s T sF C UA F C UA F C UA

ρρρ ρ ρ

= − + ++ + +

(3-22)

Pasando a ( )0T s del lado derecho de la ecuación 3-22 se tiene:

( ) ( ) ( )0 i aT 1 T Tv pv

v p v p v p

F CVC UAs S s sF C UA F C UA F C UA

ρρρ ρ ρ

⎡ ⎤+ = +⎢ ⎥

+ + +⎢ ⎥⎣ ⎦

(3-23)

Como se puede ver en la ecuación 3-23, se tiene el formato normalizado dedos función

de transferencia de primer orden las cuales son:

( )( )

0

i

TT

ss

Función de transferencia que relaciona la temperatura de salida del

vapor de la sección del sobrecalentador con respecto a la temperatura

de entrada del vapor a la sección del sobrecalentador.

( )( )

0

a

TT

ss

Función de transferencia que relaciona la temperatura de salida del

vapor de la sección del sobrecalentador con respecto a la temperatura

de los gases de la combustión del generador de vapor.

De estas funciones de transferencia que se observan en la ecuación 3-23, se puede

obtener las ganancias de las entradas y la constante de tiempo del sistema los cuales

son:

v

v p

VCF C UA

ρτρ

=+

(3-24)



1v p

v p

F CK

F C UAρ

ρ=

+

(3-25)

2v p

UAKF C UAρ

=+

(3-26)

3.4 Diagrama a Bloques de las Secciones del Sobrecalentador de Vapor.

Teniendo definidos los parámetros que intervienen en una de las secciones del

sobrecalentador, se puede pasar a armar su diagrama a bloques que es el que se muestra

en la Figura 3.3.

1

1KSτ +

2

1KSτ +

( )iT s

( )aT s

( )0T s

Figura 3.3. Diagrama a bloques de una de las secciones del sistema de sobrecalentado.

Teniendo el modelado matemático de una de las secciones del sobrecalentador, se puede

armar el diagrama completo del sistema de sobrecalentamiento de vapor del generador

de vapor, esto tomando en cuenta de que las tres secciones son sistemas no-adiabáticos

y que se conoce la temperatura de los gases en cada una de las secciones del generador

de vapor.

Así como también tomando en cuenta que en cada una de las secciones del

sobrecalentador trabajan como intercambiador de calor independiente y que la salida de

una sección es la entrada de otro, así como también tomando en cuenta de que cada uno

de las secciones del generador de vapor tiene parámetros independientes a las otras.



3.5 Armado del Diagrama a Bloques del Sistema de Sobrecalentado de Vapor

Ya planteadas las condiciones del modelado de las secciones del sistema de

sobrecalentamiento de vapor se pasa a integrar el diagrama de bloques del sistema de

sobrecalentamiento de vapor del generador de vapor, este se muestra en la Figura 3.4.

21

1KSτ +

11

1KSτ +

22

1KSτ +

12

1KSτ +

23

1KSτ +

13

1KSτ +

Figur

a 3.4. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentamiento de vapor del generador de vapor.

Como ya se había mencionado antes, el diagrama a bloques del sistema de

sobrecalentamiento es la integración de tres sobrecalentadores conectados en serie,

como se muestra en la Figura 3.4, cada función de transferencia de las secciones del

sobrecalentador se conectan en serie (salida de una sección con la entrada de la sección

siguiente).

3.6 Obtención de Parámetros del Diagrama a Bloques del Sistema de

Sobrecalentado de Vapor.

Siguiendo con el modelado de el sistema de sobrecalentado, se pasa a obtener los

valores de los parámetros mencionados en las ecuaciones desarrolladas anteriormente.

Para la obtención de la simulación, se tomaron datos que se requieren en las ecuaciones

del modelado matemático de las Tablas de Comportamiento Esperado del Generador

de Vapor del Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi Unidades 1 y 2, de la C. T.

Manzanillo II.



Así como también se tomaron datos del Prontuario de Datos Técnicos de la C. T.

Manzanillo II de la C.F.E. Los cuales se presentan en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1. Datos obtenidos Prontuario de Datos Técnicos de la C. T. Manzanillo II de la C.F.E

sobre parámetros mecánicos de las partes del sistema de sobrecalentamiento de vapor del

generador de vapor.

Los datos obtenidos de las referencias antes mencionadas son parámetros mecánicos de

cada una de las secciones del sistema de sobrecalentamiento, el esquema de estas partes

se muestra en la Figura 3.5.

Figura

3.5. Esquema de las secciones del sistema de sobrecalentamiento de vapor.

En el diagrama de la Figura 3.5, se presenta una sección más que no se había

especificado antes, esta es la sección de paredes enfriadas por vapor, esta sección es la

primera etapa de sobrecalentamiento en el ciclo de vapor, en el modelado matemático

que se presenta en este trabajo, se toma a esta sección como parte del sobrecalentador

primario.

Después de haber obtenido algunos datos mecánicos de las diferentes secciones del

sistema de sobrecalentamiento de vapor, se pasa a calcular los demás datos mecánicos

que se necesitan para realizar la simulación del sistema de sobrecalentado por lo tanto se

plantean las ecuaciones para calcularlos.



• Para la longitud de las secciones del sobrecalentador:

Alπ

=•∅

(3-27)

• Para calcular el área transversal de las secciones del sobrecalentador:

2

cA rπ= (3-28)

• Para el volumen interno de las secciones del sobrecalentador:

cV A l= • (3.28)

Teniendo definidas las formulas para calcular los valores de los parámetros que hacen

falta para la simulación del sistema de sobrecalentado del generador de vapor, se pasa a

calcularlos y ya habiéndolo hecho, se presentan en la tabla 3.2.

Tabla 3.2. Valores calculados a partir de los datos mecánicos de la tabla 3.1.

Siguiendo con la obtención de los valores de los parámetros para la simulación del

sistema de sobrecalentamiento de vapor, se toman los valores referentes al flujo de

vapor en el sistema de sobrecalentado de las Tablas de Comportamiento Esperado del

Generador de Vapor del Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi Unidades 1 y

2, de la C. T. Manzanillo II, los cuales se presentan en la Tabla 3.3.



Tabla 3.3. Datos obtenidos Tablas de Comportamiento Esperado del Generador de Vapor del

Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi Unidades 1 y 2, de la C. T. Manzanillo II sobre

valores del flujo en el sistema de sobrecalentado de vapor.

También de las Tablas de Comportamiento Esperado del Generador de Vapor del

Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi Unidades 1 y 2, de la C. T. Manzanillo

II, se extrajeron los valores de las temperaturas ideales de los gases de combustión en

cada una de las secciones del sobrecalentador como se puede ver en la Tabla 3.4.

Tabla 3.4. Datos obtenidos Tablas de Comportamiento Esperado del Generador de Vapor del

Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi Unidades 1 y 2, de la C. T. Manzanillo II sobre

los valores ideales de las temperaturas de salida en las secciones del sistema de sobrecalentado

de vapor.

Habiendo obtenido los datos de las referencias antes citadas, se pasa a calcular las

capacidades caloríficas (Cp y Cv) en cada una de las secciones del sistema de

sobrecalentado de vapor, esto es en base a la ecuación 3-7 y también a los datos

obtenidos por el análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado que se realizo

anteriormente en este trabajo.



En principio se hace la conversión de las temperaturas de las secciones del sistema de

sobrecalentado de grados Celsius a Kelvin con la ecuación 3-29.

273.15K C° = ° + (3-29)

El resultado de estas conversiones se muestra en la Tabla 3.5.

Tabla 3.5. Resultados de la conversión entre escalas de temperatura de los valores de

temperaturas de las secciones del sistema de sobrecalentado.

Teniendo las temperaturas obtenidas del análisis termodinámico del sistema de

sobrecalentado de vapor en la escala kelvin, pasamos a calcular el Cp en cada punto del

sistema de sobrecalentado por medio de la ecuación 3-7, obteniendo como resultados

los que se presentan en la Tabla 3.6.

Tabla 3.6. Capacidades caloríficas calculadas mediante la ecuación 3-7 y los datos obtenidos

mediante el análisis termodinámico del sistema de sobrecalentador de vapor.



Ya teniendo los valores de las capacidades caloríficas a presión constante se esta en la

posibilidad de calcular las capacidades caloríficas a volumen constante mediante la

ecuación 3-8, los resultados de esta operación se muestran en la tabla 3.7.

Tabla 3.8. Capacidades caloríficas a volumen constante calculadas mediante la ecuación 3-8 y

los datos obtenidos mediante el análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de vapor.

Ya teniendo las capacidades caloríficas a presión y a volumen constante, se pasa a

calcular las densidades del vapor en cada uno de los puntos del sistema de

sobrecalentado, esto en base a las entalpías que se obtuvieron mediante el análisis

termodinámico del sistema de sobrecalentado de vapor y a las tablas de vapor de la

referencia [11], los resultados de estos cálculos se muestran en la tabla 3.9.

Tabla 3.9. Densidades calculadas mediante el análisis termodinámico del sistema de

sobrecalentado de vapor y los datos obtenidos de las tablas de vapor de la referencia [11].



Siguiendo con el modelado, se hace necesario calcular el coeficiente global de

transferencia de energía de cada una de las secciones del sistema de sobrecalentado de

vapor.

Como antecedente se tiene que el coeficiente global de transferencia de energía “U”, es

la cantidad de energía necesaria para atravesar un área a una temperatura en un

determinado tiempo, el cual esta dado por la ecuación 3-30.

21( )f

Qm JUA T T Csm

= =− °&

(3-30)

De donde.

m& Flujo másico dado en [Kg/s].

Q Calor total transferido [KJ/Kg].

A Área de transferencia o superficie de contacto [m2].

1T Temperatura del medio que transfiere energía [°C].

fT Temperatura del medio al que se transfiere energía [°C].

Este coeficiente global de transferencia de energía se utiliza para medir la resistencia de

transferencia de un medio a otro.

Ahora tomando como datos los vapores que se han calculado en el análisis

termodinámico del sistema de sobrecalentado del generador de vapor y datos que se han

obtenido de las referencias antes citadas, se plantean los valores para calcular los

coeficientes globales de transferencia de calor para cada uno de las secciones del

sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor, tomando en cuenta que los

valores que se van a utilizar en este calculo serán valores para el 100% de carga de

trabajo en el generador de vapor.

• Para el SH-1 tomando como valores de las variables de la ecuación 3-30 los

datos que se presentan en la Tabla 3.10.



Tabla 3.10. Valores para el cálculo del coeficiente global de transferencia de energía para el

caso del SH-1.

Sustituyendo los valores de la Tabla 3.10 en la ecuación 3-30 se tiene:

( )( )1 22

259.83 342.50.03804

1910 1163.15 360.41

J KgKg s JU

Csmm C C

⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠= =

°° − °

(3-31)




caso del SH-2.



Sustituyendo los valores de la tabla 3.10 en la ecuación 3-30 se tiene:

( )( )2 22

259.83 342.50.1281

930 957.89 395.51

J KgKg s JU

m s Cm C C

⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠= =

°° − °

(3-32)




caso del SH-2.

Sustituyendo los valores de la Tabla 3.10 en la ecuación 3-30 se tiene:

( )( )3 22

259.83 342.50.08394

2630 851.78 458.07

J KgKg s JU

m s Cm C C

⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠= =

°° − °

(3-33)

Habiendo calculado los coeficientes globales de transferencia de calor, los resultados se

presentan en la Tabla 3.13.



Tabla 3.13. Valores de los coeficientes de transferencia de energía obtenidos mediante los

cálculos anteriores.

Habiendo calculado los parámetros que se presentan en las ecuaciones 3-24, 3-25 y 3-

26, se pasa a extraen los valores de las variables necesarias para realizar la simulación

en el dominio del tiempo del sistema de sobrecalentado de vapor del generador de

vapor.

Estos datos se presentan en la Tabla 3.14, haciendo la aclaración de que se toman datos

ideales de las referencias y de los cálculos realizados en este trabajo, todo esto tomando

como punto de operación al 100% de carga de trabajo del generador de vapor.

Tabla 3.14. Parámetros de las funciones de transferencia establecida en las ecuaciones 3-24, 3-

25 y 3-26 ocupados para hacer la simulación del sistema de sobrecalentado de vapor del

generador de vapor.



3.7 Simulación del Sistema de Sobrecalentado de Vapor del Generador de Vapor.

Partiendo de los datos obtenidos por medio del modelado matemático del sistema de

sobrecalentado, se realiza la simulación del sistema de sobrecalentado de vapor del

generador de vapor, esta simulación tiene la intención de mostrar el comportamiento

dinámico del sistema de sobrecalentado y tener así un modelo de simulación con el cual

se pueda implementar un sistema de control para regular la temperatura de salida del

sistema de sobrecalentado, así cumpliendo uno de los objetivos de este trabajo.

Para realizar la simulación de la respuesta dinámica del modelo matemático que

describe el comportamiento de la temperatura de salida del sistema de sobrecalentado de

vapor, es necesario realizar un diagrama de simulación en la herramienta Simulink

incluida en el paquete software MatLab.

Para realizar el diagrama de simulación en la herramienta Simulink, es necesario hacer

una referencia al diagrama a bloques de la Figura 3.4, el diagrama a bloques que se

presenta en esta figura, fue obtenido a partir del modelado matemático de las partes del

sistema de sobrecalentado.

Este diagrama integra las funciones de transferencia que describen la respuesta de cada

una de las secciones del sistema de sobrecalentado de vapor, ocupando este diagrama a

bloques, se puede introducir a la herramienta Simulink para su posterior simulación, el

armado de este diagrama a boques en Simulink, se muestra en la Figura 3.6.



Figura 3.6. Diagrama a bloques introducido en Simulink del sistema de sobrecalentado de

vapor.

Como se puede observar en el diagrama a bloques de la Figura 3.4, cada una de las

secciones del sistema de sobrecalentado esta descrita por una función de transferencia

para la entrada de vapor de la sección anterior y otra función de transferencia para la

entrada de la temperatura de los gases de combustión del generador de vapor.

Por esta configuración en la relación de las entradas al sistema de sobrecalentado de

vapor, se integran muchos parámetros que son parte de las formulas para obtener las

constantes del sistema de tiempo del sistema y las ganancias de las entradas al sistema,

por este numero de constantes que es necesario introducir al diagrama a bloques del

sistema de sobrecalentado de vapor que se integro en Simulink, se hace necesario

programar una rutina en un archivo m (m-file) de MatLab.

Esta rutina que se programo en un m-file, intención de ingresar los datos del modelo

matemático que se integro en Simulink y también esta rutina realizara el calculo de las

ganancias de entrada al sistema y de las constantes de tiempo de cada una de las

funciones de transferencia de las secciones del sistema de sobrecalentado del generador

de vapor.



En la figura 3.7, se muestra el diagrama de flujo de esta rutina, y en la figura 3.8, se

muestra la programación de la misma en un m-file de MatLab.

Inicio.

Fin.

Variables

,τ κ

Creación e introducción de las variables del programa.

Calculo de los valores de las constantes de tiempo y de las ganancias de cada una de las funciones de transferencia de las secciones del sobrecalentador.

Figura 3.7. Diagrama de flujo de la rutina para calcular los valores de las constantes de tiempo y

de las ganancias de las funciones de transferencia del diagrama a bloques del sistema de

sobrecalentado de vapor.

Figura 3.8. Programación de la rutina para introducir los parámetros del diagrama a bloques del

sistema de sobrecalentado de vapor.



Utilizando a la Tabla 3.14 de este trabajo, la cual presenta todos los parámetros del

modelado matemático del sistema de sobrecalentado del generador de vapor para una

carga de trabajo del 100%, se realiza la captura de datos por medio de la rutina que se

programo en un M-File de MatLab, para realizar la simulación de la respuesta del

sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor, como se puede ver en la

Figura 3.9.

Figura 3.9. Ejecución de la rutina programada en un M-File para la adquisición de los

parámetros del modelo matemático del sistema de sobrecalentado de vapor del generador de

vapor.

Habiendo introducido los parámetros para la simulación del modelo matemático del

sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor, se pasa a configurar los

parámetros de simulación de Simulink, los cuales se presentan en la Figura 3.10.

Figura 3.10. Ventana de configuración de parámetros de simulación para el modelo matemático

del sistema de sobrecalentado de vapor.



En la configuración de Simulink, se ingreso el tiempo de simulación, así como también

se selecciono el método numérico con el cual se resolvería el modelo matemático, así

como también se eligió el paso de integración para la solución del modelo matemático.

Para realizar la simulación, se hace necesario plantear puntos en donde se quiera

monitorear la respuesta del modelo matemático, por esta cuestión en la Figura 3.11, se

plantean los puntos de monitoreo de las diferentes temperaturas del sistema de

sobrecalentamiento de vapor, estos puntos son los puntos en los cuales se calcularon las

temperaturas en el análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de vapor.

Figura 3.11. Puntos del tomados del análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de

vapor, extrapolados al diagrama a bloques que se armo en Simulink.

Teniendo ya visualizados los puntos a monitorear del diagrama a bloques del sistema de

sobrecalentado en el modelo de Simulink y ya habiendo ingresado y configurado todos

los parámetros necesarios para realizar la simulación, se pasa ha correr la simulación del


Ya habiendo corrido la simulación en Simulink, los resultados que se obtuvieron son:



• Para el punto “x”:

Figura 3.12. Comportamiento de la temperatura a la salida del SH-1.

Para tener una visualización mejor para la respuesta se hizo un acercamiento en la curva

de respuesta de comportamiento de la temperatura a la salida del SH-1, esta se puede

ver en la Figura 3.13.

Figura 3.13. Acercamiento de la curva de comportamiento de la temperatura a la salida del SH-

1.

Como se puede apreciar en la Figura 3.12 y 3.13, la temperatura de salida del SH-1

alcanza aproximadamente el valor de 396°C, lo cual indica que en esta sección del

sobrecalentador, el modelo matemático esta arrojando valores ideales de la temperatura

del vapor.



Así que con este resultado, la simulación en esta sección se considera que es correcta,

esto por la cuestión de que los datos ingresados son datos al 100% de la carga en

condiciones ideales y estos están coincidiendo con lo ya obtenido en el análisis

termodinámico del sistema de sobrecalentamiento del generador de vapor.

• Para el punto “x1”:






2.


alcanza aproximadamente el valor de 456°C.



Lo anterior indica que en esta sección del sobrecalentador, el modelo matemático esta

arrojando valores ideales de la temperatura del vapor, así que con este resultado.

La simulación en esta sección se considera que es correcta, esto por la cuestión de que

los datos ingresados son datos al 100% de la carga en condiciones ideales y estos están

coincidiendo con lo ya obtenido en el análisis termodinámico del sistema de

sobrecalentamiento del generador de vapor.

• Para el punto “out”:






3.




alcanza aproximadamente el valor de 543°C, lo cual indica que en esta sección del

sobrecalentador, el modelo matemático esta arrojando valores ideales de la temperatura

del vapor, así que con este resultado, la simulación en esta sección se considera que es

correcta, esto por la cuestión de que los datos ingresados son datos al 100% de la carga

en condiciones ideales y estos están coincidiendo con lo ya obtenido en el análisis

termodinámico del sistema de sobrecalentamiento del generador de vapor.

Por los datos obtenidos en el modelado matemático del sistema de sobrecalentamiento

de vapor y en la simulación del sistema, se asume que se tiene un modelo matemático

que esta en posibilidad de representar la dinámica del sistema de sobrecalentado de

vapor del generador de vapor, por esta cuestión se esta en posibilidad de diseñar el

sistema de control para el sistema de sobrecalentado de vapor en base al modelo

matemático y la simulación que se realizo hasta esta parte de este trabajo.



Capítulo 4:

Implementación del Sistema de Control de

Atemperación de un Generador de Vapor.



4.1 Consideraciones en la Implementación del sistema de Control de Atemperación

del Sistema de Sobrecalentado del Generador de Vapor.

Para iniciar la implementación del sistema de control de atemperación de un generador

de vapor de 1172 Ton/Hrs, es necesario referirse al modelado matemático del sistema de

sobrecalentado que se llevo a cabo en secciones anteriores de este trabajo.

Al referirse en modelado matemático del sistema de sobrecalentado de vapor, se tiene

como intención plantear el sistema a controlar, esto basándose en la función de un

atemperador que es la de disminuir la temperatura del vapor por medio de la mezcla del

vapor de la línea de proceso con la atomización agua de un alto grado de pureza dentro

de la misma con esto asumiendo que el atemperador es parte del sistema de

sobrecalentado de vapor, y que funge con la elemento final de control.

Tomando al modelado matemático del sistema de sobrecalentado de vapor, es necesario

plantear las perturbaciones a las cuales el sistema de control a implementar tendrá que

compensar para el aseguramiento de las condiciones de operación del sistema de

sobrecalentado, es por esto que se plantean a continuación.

Las perturbaciones que pueden afectar el buen funcionamiento del sistema de

sobrecalentado de vapor pueden ser:

• Cambios en las temperaturas de los gases de combustión.

• Variación del poder calorífico del combustible que se alimenta al generador de

vapor.

• Acumulación de escorias en las superficies de contacto de los elementos que

intercambian calor dentro del generador de vapor.

• Cambio en las temperaturas del agua alimenta al generador de vapor.



Todas estas perturbaciones que se suponen se pueden presentar en la operación del

generador de vapor y que repercuten al sistema de sobrecalentado de vapor, se pueden

traducir en una sola, la cual es el aumento de la temperatura de los gases de combustión.

Como ya se había explicado en secciones anteriores de este trabajo, el sistema de

sobrecalentado esta en el camino que recorren los gases de combustión para salir del

generador de vapor, y es por esta razón que cualquier cambio en la temperatura de estos

gases repercute en la temperatura del vapor sobrecalentado que sale del generador de

vapor y entra a la turbina de alta presión de la central termoeléctrica.

La temperatura del vapor sobrecalentado se regula por medio de dos sistemas de

control los cuales son:

• Sistema de Inclinación de Quemadores.

• Sistema de Atemperación del Sobrecalentador de Vapor.

El funcionamiento en conjunto estos sistemas mantienen en una temperatura de 541°C

al vapor que sale del sobrecalentador del generador de vapor.

El sistema de inclinación de Quemadores; es un sistema que mediante la inclinación de

los que madores de combustóleo del generador de vapor, acercan o alejan a la bola de

fuego del sistema de sobrecalentado de vapor y así aumenta o disminuye la temperatura

de los gases de la combustión, con el detalle de que no hay una gran precisión en la

acción de este sistema de control, podría decirse que es un control burdo, mencionando

que solo se pueden controlar rangos muy grandes de temperatura del vapor a la salida

del sistema de sobrecalentado con este sistema.



El sistema de atemperación del sobrecalentador de vapor; este es un sistema que actúa

como un control fino en el control de la temperatura del vapor sobrecalentado, este

sistema de control compensa la acción del sistema de los cambios bruscos de

temperatura del sistema de inclinación de quemadores, este sistema de control actúa con

el principio de funcionamiento que se ha mencionado con anterioridad basándose en la

mezcla del vapor de proceso y de agua de alto grado de pureza.

4.2 Adición de Perturbaciones al Modelo Matemático del Sistema de

Sobrecalentador de Vapor.

Tomando como base el modelo matemático del sistema de sobrecalentado de vapor y

teniendo como referencia que el sistema de atemperación del sobrecalentador es un

sistema de control fino de la temperatura de salida del sobrecalentador, se plantean las

perturbaciones a aplicar en el modelado matemático del sistema de sobrecalentado de

vapor, estas se muestran en la Figura

4.1.

Figura 4.1. Perturbaciones planteadas en el modelado matemático del sistema de

sobrecalentado.



Estas perturbaciones planteadas en el modelo matemático que se armo en Simulink son

elevaciones de temperatura que se adicionan a las temperaturas ideales de los gases de

combustión del generador de vapor, esto en base a las consideraciones hechas con

anterioridad.

Se incorporan como señales escalón unitario por que a las temperaturas ideales de los

gases se maneja en el modelo matemático como constantes, y por esta cuestión, estas

tienen efecto desde el principio de simulación, y las perturbaciones se dan en una subida

a un tiempo determinado, los valores de configuración de cada una de estas

perturbaciones se presentan el las Figuras 4.2, 4.3 y 4.4.

Figura 4.2. Tabla de parámetros de configuración para la perturbación en la temperatura de los

gases del SH-1.


gases del SH-2.




gases del SH-3.

En estos parámetros, se planteo un tiempo de entrada a la perturbación de 1100

segundos, y valores diferentes para cada una de las perturbaciones en cada uno de los

sobrecalentadores, esto por la cuestión de que si sube la temperatura de los gases en la

entrada del sobrecalentador primario, este absorbe un poco del calor que elevo la

perturbación el demás calor pasa a la sección secundaria del sobrecalentador y esta

también solo absorbe una parte, y lo demás lo pasa a la sección terciaria.

Al hacer la simulación del modelo matemático del sistema de sobrecalentado con

perturbaciones incluidas en la simulación, se tiene como resultado las figuras siguientes,

en estas figuras se muestran las graficas del comportamiento de la temperatura en cada

una de los puntos que se monitorean, estos puntos tomados de la simulación que se

había realizado en secciones anteriores de este trabajo.

Figura 4.5. Curva de comportamiento de la temperatura de salida del SH-1 ante una

perturbación en la temperatura de los gases de combustión.



Figura 4.6. Acercamiento hecho al segmento de la curva de comportamiento de la

temperatura de salida del SH-1 ante una perturbación en la temperatura de los gases de

combustión.

Como se muestra en la grafica de la Figura 4.5, la curva del comportamiento de la

temperatura del vapor sobrecalentado se puede percibir el aumento de la temperatura en

el vapor, después de presentarse la perturbación, en este punto que se esta

monitoreando, se hace un acercamiento en el instante en que se presenta la perturbación,

este se muestra en la Figura 4.6, este acercamiento es antes del segundo 1100, ese

acercamiento nos presenta el aumento de la temperatura que se tubo, este llego hasta

una temperatura de salida del SH-1 de 409°C, comparando este resultado con el

resultado que arrojo el análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de vapor,

hay una variación de alrededor de 10°C, esto solo en la sección primaria del sistema de


Analizando las graficas del comportamiento de la temperatura de vapor a la salida de la

sección secundaria del sobrecalentador, se muestra que también hubo un aumento de

temperatura del vapor sobrecalentado a la salida del sobrecalentador, este aumento se

muestra en la grafica de la Figura 4.7.





Figura 4.8. Acercamiento hecho al segmento de la curva de comportamiento de la temperatura

de salida del SH-2 ante una perturbación en la temperatura de los gases de combustión.

En la grafica de la Figura 4.7, la curva del comportamiento de la temperatura del vapor

sobrecalentado se puede percibir el aumento de la temperatura en el vapor, después de

presentarse la perturbación, en este punto que se esta monitoreando, se hace un

acercamiento en el instante en que se presenta la perturbación, este se muestra en la

Figura 4.8.

Este acercamiento es antes del segundo 1100, ese acercamiento nos presenta el aumento

de la temperatura que se tubo, este llego hasta una temperatura de salida del SH-2 de

487°C, comparando este resultado con el resultado que arrojo el análisis termodinámico

del sistema de sobrecalentado de vapor, hay una variación de alrededor de 30°C, esto

solo en la sección primaria del sistema de sobrecalentado de vapor.



Siguiendo con el análisis de los efectos de las perturbaciones en el sistema de

sobrecalentado de vapor, se analizan las graficas del comportamiento de la temperatura

de vapor a la salida de la sección terciaria del sobrecalentador, se muestra que también

hubo un aumento de temperatura del vapor sobrecalentado a la salida del

sobrecalentador, este aumento se muestra en la grafica de la Figura 4.9.



Figura 4.10. Acercamiento hecho al segmento de la curva de comportamiento de la temperatura

de salida del SH-2 ante una perturbación en la temperatura de los gases de combustión.

En la grafica de la Figura 4.9, la curva del comportamiento de la temperatura del vapor

sobrecalentado se puede percibir el aumento de la temperatura en el vapor, después de

presentarse la perturbación, en este punto que se esta monitoreando, se hace un

acercamiento en el instante en que se presenta la perturbación, este se muestra en la

Figura 4.10.



Este acercamiento es antes del segundo 1100, ese acercamiento nos presenta el aumento

de la temperatura que se tubo, este llego hasta una temperatura de salida del SH-3 de

563°C, comparando este resultado con el resultado que arrojo el análisis termodinámico

del sistema de sobrecalentado de vapor, hay una variación de alrededor de 23°C, esto

solo en la sección primaria del sistema de sobrecalentado de vapor.

Después de analizar los resultados arrojados por la simulación en cada uno de los

puntos que se planteo monitorear, se pudieron ver las diferencias de temperatura que se

presentan en cada uno de estos puntos del sistema de sobrecalentado, esto provocado

por el aumento de la temperatura de los gases de combustión, todo este análisis tomando

como base los resultados arrojados por el análisis termodinámico del sistema de


4.3 Instrumentación y Control para el Sistema de Sobrecalentado de Vapor del

Generador de Vapor.

Habiendo simulado los efectos de las perturbaciones en la dinámica del sistema de

sobrecalentado, se pasa a instrumentar para controlar la temperatura del vapor a

cualquier perturbación en el sistema de sobrecalentado, para esto se recurre a la

referencia [3] y a la referencia [2], en las cuales se presentan la de operación y la

filosofía de control para este sistema.

4.3.1 Filosofía de Control del Sistema de Sobrecalentado de Vapor.

Basándose en el análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de vapor y en la

información obtenida de la referencia [1], al momento de presentarse una perturbación

en los gases de combustión del generador de vapor, estos provocan un intercambio de

calor mayor en cada una de las secciones del sistema de sobrecalentado.



Esto altera la temperatura de salida del sistema de sobrecalentado de vapor, para

contrarrestar el aumento de la temperatura de salida del generador de vapor, se atempera

el vapor que entra en las secciones secundaria y terciaria del generador de vapor, esto

con el fin de regular la temperatura de entrada a estos sobrecalentadotes y así controlar

la temperatura de salida del sistema de sobrecalentado.

No se atempera a la entrada del sobrecalentador primario, esto por que la temperatura a

su entrada es la temperatura de saturación del agua dentro del generador de vapor, por

esta cuestión si se atemperara a la entrada de este sobrecalentador, disminuiría la

temperatura del vapor hasta el punto de cambiar su estado de agregación y así se

arrastraría agua a las demás secciones de sobrecalentado de vapor.

El diagrama de las atemperaciones en el sistema de sobrecalentado se muestra en la

Figura 4.11, en este diagrama se muestra la posición de los atemperadores dentro del


Figura 4.11. Esquema del sistema de atemperación del sistema de sobrecalentador de vapor.

Para controlar el grado de atemperación en el generador de vapor, se manipula el flujo

de agua para atemperar, con lo cual se manipula la disminución de la temperatura del

vapor a la entrada de cada una de las secciones del sistema de sobrecalentado de vapor

del generador de vapor.



4.4 Modelado de Control para los Atemperadores del Sistema de Sobrecalentado.

El grado de disminución de temperatura al vapor de entrada a las secciones del

sobrecalentador de vapor se calculo por medio del análisis termodinámico de los

atemperadores del sistema de sobrecalentado, que se llevo a cabo en secciones

anteriores de este trabajo.

En análisis termodinámico de los atemperadores del sistema de sobrecalentado, se

realizo tomando los flujos de agua de atemperación máximos, estos datos tomados de la

referencia [1], con lo cual se obtuvo la diferencia de temperaturas del vapor a la

entrada del atemperador contra la temperatura del vapor a la salida del atemperador.

Teniendo en cuenta que este análisis se hizo a cada uno de los atemperadores.

Teniendo la diferencia máxima de temperaturas del vapor a la entrada y a la salida de

los atemperadores, se pasa a armar el diagrama de bloques de estos para su posterior

integración en el sistema en MatLab que ya se tiene del sistema de sobrecalentado de

vapor.

• Para el atemperador 1 se tiene:

Para 8.11 Kgs

de agua de atemperación se le puede disminuir 30°C a la temperatura del

vapor sobrecalentado, planteando una ecuación para relacionar estas dos magnitudes

diferentes, se propone una constante de proporcionalidad la ecuación resultante para el

atemperador 1 queda;

18.11 30Kg K Cs

= °

(4-1)

Despejando a esta constante el resultado es;

130 3.6585

8.11

C C sK Kg Kgs

° ° •= =

(4-2)



Quedando el diagrama de bloques:

Figura 4.12. Diagrama de bloques para el atemperador primario.

• Para el atemperador 1 se tiene:

Para 7.05 Kgs

de agua de atemperación se le puede disminuir 15°C a la temperatura del

vapor sobrecalentado, planteando una ecuación para relacionar estas dos magnitudes

diferentes, se propone una constante de proporcionalidad la ecuación resultante para el

atemperador 3 queda;

27.05 15Kg K Cs

= °

(4-3)

Despejando a esta constante el resultado es;

115 2.127

7.05

C C sK Kg Kgs

° ° •= =

(4-4)

Quedando el diagrama de bloques:

Figura 4.13. Diagrama de bloques para el atemperador secundario.



4.5 Modelado de Control para las Válvulas de los Atemperadores del Sistema de

Sobrecalentado.

Para controlar la temperatura del vapor de sistema de sobrecalentado de vapor, se hace

necesario atemperar a este vapor, por lo cual hay que manipular el flujo de agua de

atemperación para poder regular el grado de atemperación de el vapor sobrecalentado,

por lo cual la manipulación de esta agua es hecha por la apertura o cierre de una válvula

de control, las características de esta válvula de control se han consultado de la

referencia [4].

La válvula con la cual se controla el agua de atemperación es una servo válvula con un

actuador proporcional eléctrico, el actuador maneja una señal normalizada de 4 – 20mA,

para regulas su apertura de 0 – 100%, la característica de la válvula de de igual

porcentaje y su curva de comportamiento se muestra en la Figura 4.14.

Figura 4.14. Comportamiento de la servo válvula de control de agua de atemperación.

La dinámica de la servo-válvula se puede representar con la función de transferencia de

segundo orden que se muestra en la ecuación 4-5.

2

( ) 1( ) 1.8 1

P sI s s s

=+ +

(4-5)

Para hacer la representación de esta servo válvula para introducirla al modelo de control

en MatLab, es necesario generar su diagrama a bloques el cual integra un bloque el cual

relaciona la apertura de la válvula con el flujo que permite que pase, los diagramas a

bloques para cada una de las válvulas se muestra en la figuras 4.15 y 4.16.



2

11.8 1s s+ +

Figura 4.15. Diagrama a bloques para la servo-válvula del atemperador 1.

2

11.8 1s s+ +

Figura 4.16. Diagrama a bloques para la servo-válvula del atemperador 2.

4.6 Implementación de la Arquitectura de Control del Sistema de Control de

atemperación del Sobrecalentador del Generador de Vapor.

En base al esquema del sistema de atemperación del sistema de sobrecalentador de

vapor que se mostró en la Figura 4.11, así como también en base a la información

consultada en las referencias [1], [2] y [3], la arquitectura de control planteada para este

sistema de control de atemperación es el que se presenta en el esquema que se muestra

en la Figura 4.17.



SH-3SH-2SH-1

1 2

Del Domo Superior

A Turbina de Alta Presión

TT TT TT TT

TC TCS.P.

TT TT

TC TCS.P.

TT TTV-4

TV

M

V-3

M

TV

De Bomba de Agua de

AlimentaciónS.P.S.P.

Figura 4.17. Esquema de la arquitectura de control planteada para el sistema de control de

atemperación del sobrecalentador de un generador de vapor.

En esta arquitectura que se muestra en la Figura 4.17, se integra de dos lazos de control

en cascada, los cuales regulan la temperatura de entrada y de salida de las secciones

secundaria y terciaria del sobrecalentador del generador de vapor.

En la sección primaria, no se regula la temperatura, esto por que no es recomendable

atemperar el vapor a la entrada de esta sección por cuestiones de condensación del

vapor, conllevando a la generación y arrastre de agua a las demás secciones del

sobrecalentador.

En la arquitectura de control planteada, se presenta un lazo de control en cascada para el

control de la temperatura en la sección terciaria tomando como variable principal a la

temperatura de salida de esta sección, (la cual es la variable a controlar dentro de este

sistema).

Como variable secundaria se toma a la temperatura de entrada al sobrecalentador, esta

se manipula por medio de la atemperación que se suministra con el atemperador que

esta a la entrada de esta sección.



Se toma de esta manera a las variables en base a el análisis termodinámico del sistema

de sobrecalentado de vapor, el cual muestra las temperaturas de entrada de cada una de

las secciones del sistema de sobrecalentado de vapor y así con esto se tiene referencia

de cada uno de los valores de las temperaturas en estos puntos.

La arquitectura en cascada implementada en la sección terciaria del sobrecalentador

toma como variable de perturbación a la temperatura de entrada al sobrecalentador, si

esta temperatura en el vapor aumenta, el sistema de control debe compensar ese

aumento de temperatura, esto con la apertura de la servo-válvula del primer

atemperador.

Esto tiene a intención de hacer que el vapor entre a esta sección con los parámetros de

temperatura que se obtuvieron del análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado

de vapor, este lazo se muestra en la Figura 4.18.

Figura 4.18. Esquema de la arquitectura de control para el sistema de control de atemperación

del sobrecalentador, mostrando al lazo en cascada primario, este siendo el que regula la

temperatura en la sección terciaria del sobrecalentado.

También en el sobrecalentador terciario se monitorea la temperatura a la salida del

vapor, con el fin de disminuir o aumentar el punto de consigna del controlador

secundario de este lazo de control en cascada.



Esto tiene la intención de modular la temperatura a la entrada por si la perturbación se

presenta en la temperatura de los gases y tienda a aumentar el sobrecalentamiento del

vapor en esta sección, esto repercutiendo a la temperatura a la salida del vapor.

En la sección secundaria del sobrecalentador de vapor, también se implementa una

arquitectura en cascada, tomando como variable de perturbación a la temperatura del

vapor en la entrada de esta sección, así, si la temperatura del vapor a la entrada de esta

sección aumenta, el sistema de control debe compensar ese aumento de temperatura en

el vapor mediante la apertura de la servo-válvula del segundo atemperador.

Esto con la intención de hacer que el vapor entre a esta sección con los parámetros de

temperatura que se obtuvieron del análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado

de vapor.

En la Figura 4.19, se señala a este lazo de control en el esquema de la arquitectura de

control para el sistema de control de atemperación del sobrecalentador de vapor.

Figura 4.19. Esquema de la arquitectura de control para el sistema de control de atemperación

del sobrecalentador, mostrando al lazo en cascada secundario, este siendo el que regula la

temperatura en la sección secundaria del sobrecalentado.



También en la sección secundaria del sobrecalentador de vapor, se monitorea la

temperatura a la salida del vapor, con el fin de disminuir o aumentar el punto de

consigna del controlador secundario de este lazo de control en cascada.

Con la intención de modular la temperatura a la entrada por si la perturbación se

presenta en la temperatura de los gases y tienda a aumentar el sobrecalentamiento del

vapor en esta sección, esto repercutiendo a la temperatura a la salida del vapor.

Los dos lazos de control en cascada se interconectan por medio de la asignación del

punto de consigna del controlador primario del segundo lazo en cascada por medio del

error del controlador primario del lazo primario.

Este se asigna directamente, con esto, se regula la acción del segundo lazo de control

por medio del error que se presenta en la temperatura del vapor de salida del sistema de

sobrecalentado de vapor, si aumenta el error en este punto, modifica la acción de los dos

lazos de control del sistema de atemperación del sobrecalentador de vapor.

4.7 Rangos de Operación de los Transmisores de la Arquitectura del Sistema de

control Atemperación del Sobrecalentador de un Generador de Vapor.

Para la implementación del sistema de control del atemperación del sobrecalentador de

vapor, es necesario monitorear las variables a controlar, en este caso estas variables son

la temperatura del vapor sobrecalentado en diferentes puntos del sistema de

sobrecalentado de vapor, por esta cuestión se hace necesario el uso de transmisores, esto

con la intención de monitorear las temperaturas del vapor sobrecalentado en las

diferentes secciones y así mantener reguladas estas variables.

Para este trabajo, se consideran transmisores de temperatura a diferentes rangos de

medición con la característica de que estos transmisores proporcionan una señal de

salida normalizada de 4 - 20mA con un comportamiento lineal a la salida con respecto a

los cambios de temperatura que estén sensando.



Los rangos de temperatura para cada uno de los transmisores se asignaron según el

punto en donde se encuentran colocados, por esta cuestión en la Figura 4.20, se muestra

la numeración de cada uno de los transmisores y su posición en el sistema de


Figura 4.20. Posición de transmisores dentro del sistema de sobrecalentado de vapor y

numeración de estos.

• Transmisor “TT-01A”

Según en el análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de vapor, en el punto

donde se encuentra este transmisor, la temperatura que se calculo es siempre constante,

esto por que este punto es la salida del sistema de sobrecalentado de vapor, por lo

consiguiente, siempre el vapor va a estar a 541°C, por que es la temperatura nominal del

vapor a la entrada de la turbina de alta presión.

Por lo anterior, el rango de este transmisor se eligió de 535°C @ 550°C, esto tomando

en cuenta lo dicho en el segmento anterior y tomando en cuenta que el sistema de

atemperación del sistema de sobrecalentado de vapor solo tendrá acción del 50% de

carga de la unidad hasta la carga máxima.



El diagrama a bloques de este transmisor se muestra en la Figura 4.21, en el cual se

muestra su rango de operación, su comportamiento con respecto al cambio de

temperatura en el elemento sensor y su rango de salida con respecto al rango de

operación de este instrumento.

Figura 4.21. Diagrama a bloques del transmisor TT-01A.

• Transmisor “TT-01B”


donde se encuentra este transmisor (a la entrada de la sección terciaria del sistema de

sobrecalentado de vapor), la temperatura que se calculo tiene un valor de 338.4°C para

el 50% de la carga y tiene el valor de 458.07°C para el 100% de la carga de trabajo de la

unidad, para la elección del rango de este transmisor de temperatura se tiene que tomar

en cuenta que esta temperatura puede variar en la operación del generador de vapor.











Figura 4.22. Diagrama a bloques del transmisor TT-01B.

• Transmisor “TT-02A”


donde se encuentra este transmisor (a la salida de la sección secundaria del sistema de


el 50% de la carga y tiene el valor de 458.07°C para el 100% de la carga de trabajo de la











Figura 4.23. Diagrama a bloques del transmisor TT-02A.



• Transmisor “TT-02B”


donde se encuentra este transmisor (a la entrada de la sección secundaria del sistema de


el 50% de la carga y tiene el valor de 395°C para el 100% de la carga de trabajo de la











Figura 4.24. Diagrama a bloques del transmisor TT-02B.



4.8 Controladores de Proceso a Utilizar en el Sistema de Control de Atemperación

del sistema de Sobrecalentado de Vapor del Generador de Vapor

Para la integración de la arquitectura de control del sistema de control de atemperación

del sistema de sobrecalentador de vapor de un generador de vapor, se hace necesaria la

utilización de controladores de procesos, los cuales contienen algoritmos de control

programados en su interior con lo cual se pueden generar señales de control a base de

las señales de error que se obtengan de la retroalimentación que se hace por medio de

los transmisores del sistema de control.

Los controladores de procesos, tienen parámetros para configurar, los cuales rigen el

comportamiento a su salida a partir de la señal de error que nos arroje nuestro proceso.

En este trabajo se selecciono el uso de controladores PID (controlador con acción

proporcional + integral + derivativa).

El controlador PID es un controlador retroalimentado cuyo propósito es hacer que el

error en estado estacionario, entre la señal de referencia y la señal de salida del proceso,

sea cero de manera asintótica en el tiempo.

Funcionamiento

Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema

se necesita, al menos:

• Un sensor, que determine el estado del sistema.

• Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.

• Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada.

El sensor proporciona una señal analógica al controlador, la cual representa el punto

actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede representar ese valor

en tensión eléctrica, intensidad eléctrica o frecuencia.



En este último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores,

que son con corriente continua.

El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta

señal recibe el nombre de punto de consigna(o punto de referencia), la cual es de la

misma naturaleza y tiene el mismo intervalo de valores que la señal que proporciona el

sensor.

Acción proporcional

La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la constante

proporcional. Esta componente PID toma un papel importante cuando la señal de error

es grande, pero su acción se ve mermada con la disminución de dicha señal.

Este efecto tiene como consecuencia la aparición de un error permanente, que hace que

la parte proporcional nunca llegue a solucionar por completo el error del sistema.

La constante proporcional determinará el error permanente, siendo éste menor cuanto

mayor sea el valor de la constante proporcional.

Acción integral

La función principal de la acción integral es asegurar que la salida del proceso

concuerde con la referencia en estado estacionario. Con el controlador proporcional,

normalmente existiría un error en estado estacionario.

Con la acción integral, un pequeño error positivo siempre producirá un incremento en la

señal de control y, un error negativo siempre dará una señal decreciente sin importar

cuán pequeño sea el error.



Acción derivativa

El propósito de la acción derivativa es mejorar la estabilidad de lazo cerrado. El

mecanismo de inestabilidad puede ser descrito intuitivamente como sigue. Debido a la

dinámica del proceso, pasa algún tiempo antes de que la variable de control se note en la

salida del proceso.

De esta manera, el sistema de control tarda en corregir el error. La acción de un

controlador con acción proporcional y derivativa puede ser interpretada como si el

control proporcional fuese hecho para predecir la salida del proceso

Conjuntando se tiene que en dominio del tiempo, la ecuación característica de un

controlador PID es:

0

( )( ) ( ) ( )t

p i dde tu t k e t k e t dt k

dt⎡ ⎤

= + +⎢ ⎥⎣ ⎦

∫

(4-6)

Conjuntando se tiene que en dominio de Laplace, la ecuación característica de un

controlador PID es:

( ) 1 ip d

ku s k k ss

⎡ ⎤= + +⎢ ⎥⎣ ⎦

(4-7)

El diagrama a bloques de este controlador se muestra en la Figura 4.25.

Figura 4.25. Diagrama a bloques de un controlador PID.



4.9 Simulación del la Arquitectura de Control del Sistema de Atemperación del

Sistema de Sobrecalentado de Vapor del Generador de Vapor.

Habiendo obtenido los diagramas a bloques de las partes que integran a la arquitectura

de control del sistema de control de atemperación que se presento en la Figura 4.17 de

este trabajo, se pasa a integrar cada una de estas partes en el sistema de sobrecalentado

de vapor que ya se tiene generado en la herramienta computacional Simulink

perteneciente al software MatLab, tomando en cuenta que en esta herramienta solo se

pueden introducir los diagramas a bloques de cada una de estas partes.

Antes de armar el diagrama a bloques del sistema de control de atemperación del

sistema de sobrecalentado de vapor, se muestra el esquema de control del sistema de

atemperación con las nomenclaturas de cada uno de los elementos que lo incorporan,

esto se muestra en la Figura 4.26.

SH-3SH-2SH-1

1 2

Del Domo Superior


S.P.

TT TT

TC TCS.P.

TT TTV-13

M

V-14

M

De Bomba de Agua de


TT01A

TT01B

TT02A

TT02B

TC01A

TC01B

TC02A

TC02B

TV02

TV01

AT-01AT-02

Figura 4.26. Esquema de la arquitectura de control del sistema de control de atemperación del

sobrecalentador del generador de vapor, mostrando la nomenclatura de cada una de sus partes.

Habiendo ya numerado cada una de las partes del sistema de control de atemperación y

ocupando el diagrama a bloques que se uso para simular el sistema de sobrecalentado de

vapor, se pasa a integrar a este ultimo diagrama el sistema de control de atemperación,

el cual se muestra en la Figura 4.27, en este se muestra la integración que se hizo en la

herramienta Simulink de MatLab.



Para el diagrama a bloques que se muestra en la Figura 4.27, se ocuparon bloques que

ya están establecidos en el paquete Simulink, estos son:

• Bloques de Saturación: Estos bloques tienen la función de no dejar que la señal

sobrepase un rango establecido en sus parámetros, este bloque se uso en esta

simulación para que la señal estuviera en el rango normalizado de 4 – 20mA.

• Punto Suma: Este bloque es un operador matemático el cual realiza la suma

algebraica de dos señales dentro del programa, en la simulación del sistema de

sobrecalentado se les ocupo para hacer la suma algebraica de las magnitudes de

entrada a los bloques del controlador así como también se les ocupo para realizar

la función del atemperador en la sustracción de temperatura al vapor

sobrecalentado.

• Scope: Estos bloques grafican la magnitud que se les alimenta con respecto al

tiempo de simulación, en esta simulación se les ocupo para graficar los valores

de la temperatura en los diferentes puntos del diagrama a bloques.

• Controlador PID: Este bloque que tiene incorporado el programa Simulink, ya

incorpora un algoritmo PID, con el cual se pueden armar lazos de control dentro

de las simulaciones que se realicen.

Este bloque ya se había contemplado en la generación de los diagramas a

bloques de cada una de las partes del sistema de control de atemperación del

sobrecalentador, mas sin embargo, se ocupo este bloque que ya tiene el paquete

Simulink.

• Functions: Este bloque tiene la finalidad que el usuario del paquete Simulink,

pueda introducir funciones que el pueda definir, en la simulación del sistema de

control de sobrecalentado de vapor se ocupo para introducir las funciones de

transmisores y válvulas dentro del sistema de control de atemperación.



• Gain: Este bloque tiene la función de dar una ganancia a la señal que tiene a la

entrada de el, en esta simulación se ocupo para darle ganancias a las válvulas,

como parte de su diagrama a bloques.

También dentro de la simulación que se hizo para el sistema de control de atemperación

del sistema de sobrecalentado de vapor cabe mencionar que se explican las funciones de

cada bloque, nombrando a estos bloques con el nombre que el programa Simulink les

asigna por omisión, pero mas sin embargo, a cada uno de los bloques e le asigno un

nombre, como por ejemplo, el bloque prueba 1, que es el que se le dio a un bloque

scope en donde se realizaba la prueba de la señal que se tenia en el controlador en ese

punto en especifico.



Figura 4. 27. Diagrama a bloques del sistema de control de atemperación del sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor armado en la aplicación Simulink del paquete MatLab.



4.10 Sintonización de los Lazos de Control en Cascada de la Arquitectura de

Control del Sistema de Control de Atemperación del Sistema de Sobrecalentado de

Vapor de un Generador de Vapor.

Habiendo implementado la arquitectura de control del sistema de atemperación del

sistema de sobrecalentado de vapor en MatLab, es necesario sintonizar los controladores

que se usan en esta arquitectura de control para este sistema.

Al proceso de seleccionar los parámetros del controlador que cumplan con las

especificaciones de desempeño se conoce como sintonización del controlador.

4.10.1 Metodología para la Sintonización los Lazos de Control que Integran a la

Arquitectura de Control del Sistema de Atemperación del Sistema

Sobrecalentador de Vapor:

1. Se introducen los parámetros de simulación del sistema de sobrecalentado de

vapor del girador de vapor, incluyendo los parámetros de las perturbaciones

que anteriormente ya se habían incorporado a la simulación del sistema.

2. Se obtienen los parámetros del los controladores del lazo en cascada

primario, esto utilizando cualquier método de sintonización de controladores

PID. Como este análisis se obtuvo suponiendo valores ideales de la

termodinámica del sistema de sobrecalentado de vapor, se pueden ocupar

estos valores resultantes del análisis como puntos de referencia de los

controladores del sistema de control de atemperación.

3. Se obtienen los parámetros de los controladores pertenecientes al lazo de

control en cascada secundario, eso utilizando cualquier método de

sintonización de controladores PID y basándose en los valores que se

obtuvieron en el análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de

vapor.



Como este análisis se obtuvo suponiendo valores ideales de la

termodinámica del sistema de sobrecalentado de vapor, se pueden ocupar

estos valores resultantes del análisis como puntos de referencia de los

controladores del sistema de control de atemperación.

4. Se interconectan los lazos de control mediante la asignación de la señal de

error del controlador primario del primer lazo en cascada como señal de

referencia del controlador primario del segundo lazo en cascada.

El método para la sintonización de los controladores en cascada que integra a esta

arquitectura es el siguiente:

1. Se coloca el controlador primario del lazo en cascada en modo manual.

2. Se obtienen los parámetros del controlador secundario utilizando algún método

de sintonización, sea métodos a lazo abierto o métodos a lazo cerrado.

3. Se prueba el lazo de control secundario, sin ser necesario que la variable

secundaria este en el punto de referencia.

4. Se pone el controlador primario en automático y se sintoniza el controlador, es

decir, tienen que estar funcionando los dos controladores en automático.

5. Se obtienen los parámetros del controlador secundario utilizando algún método

de sintonización, sea métodos a lazo abierto o métodos a lazo cerrado.

Empezando la sintonización de los lazos de control del sistema de sobrecalentado de

vapor se tiene:



• Lazo en cascada primario:

Solo se implementa este lazo en la simulación del sistema de sobrecalentado, en la

simulación se plantea como punto de consigna un valor cercano al valor de la

temperatura que se obtuvo del análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de

vapor, el diagrama a bloques del lazo de control interno del primer lazo de control en

cascada se presenta en la Figura 4.27, este lazo se remarca en naranja para su mejor

ubicación.

Figura 4.28. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de vapor, incorporando el

diagrama a bloques del lazo interno del primer lazo en de control en cascada del sistema de

control de atemperación, este lazo se remarca en color naranja.

Ya implementado el lazo de control se pasa a hacer pruebas de simulación variando

primeramente la constante proporcional del controlador, hasta que la señal de la

temperatura llegue a el valor del punto de consigna o un valor lo más cercano posible,

enseguida se empieza a agregar ganancia integral, con la intención de disminuir el error

en estado estacionario que pudiera tener la variable controlada.



Habiendo hecho varias pruebas en la simulación, los parámetros del controlador del lazo

interno que se obtuvieron se muestran en la Figura 4.29, estos introducidos a la ventana

de configuración de los parámetros del controlador del bloque PID que proporciona

MatLab.

Figura 4.29. Parámetros obtenidos por medio de la sintonización del controlador interno del lazo

de control en cascada primario del sistema de control de atemperación.

La respuesta de la variable controlada (en este caso temperatura), se muestra en la figura

4.30, en la Figura 4.31, se muestra un acercamiento a esta variable.

Figura 4.30. Respuesta de la temperatura a la sintonización del controlador interno del lazo de

control en cascada primario.



Figura 4.31. Acercamiento hecho a la respuesta de la temperatura a la sintonización del

controlador interno del lazo de control en cascada primario.

Como se puede observar en la Figura 4.31, la magnitud de la respuesta de temperatura

con control del lazo interno del lazo de control en cascada, casi se acerca al punto de

consigna, con esto se cumple uno de los requisitos antes mencionados la sección de

sintonización de lazos de control en cascada que se marca en este trabajo.

Ya habiendo sintonizado el lazo interno del lazo de control en cascada primario, se

conecta el lazo externo al lazo interno, la conexión de estos dos lazos del lazo de control

en cascada primario se puede observar en la Figura 4.32. Estos dos lazos se remarcan de

color naranja para poder ubicarlos mejor.


diagrama a bloques del lazo en de control en cascada primario completo, esta parte del sistema

de control de atemperación, este lazo se remarca en color naranja.



Teniendo el lazo de control en cascada integrado, se pasa a hacer pruebas de simulación

variando primeramente la constante proporcional del controlador, hasta que la señal de

la temperatura llegue al valor del punto de consigna, enseguida se empieza a agregar

ganancia integral, con la intención de disminuir el error en estado estacionario que

pudiera tener la variable controlada.


externo que se obtuvieron se muestran en la Figura 4.33, estos introducidos a la ventana


MatLab.

Figura 4.33. Parámetros obtenidos por medio de la sintonización del controlador externo del

lazo de control en cascada primario del sistema de control de atemperación.

La respuesta de la variable controlada (en este caso temperatura), se muestra en la

Figura 4.34, en la Figura 4.35, se muestra un acercamiento a esta variable.

Figura 4.34. Respuesta de la temperatura a la sintonización del controlador externo del lazo de

control en cascada primario.




controlador externo del lazo de control en cascada primario.


con control del lazo externo del lazo de control en cascada esta en el punto de consigna,

sin embargo, se presenta un error en estado estacionario, este error se asume que es a

causa del valor de la constante de tiempo del sistema, la cual es muy grande y por lo

tanto le da mucha inercia a la dinámica del sistema a controlar.

• Lazo en cascada secundario:

Ya habiendo implementado en la simulación del sistema de sobrecalentado el lazo de

control en cascada primario, se pasa a implementar en la misma simulación el lazo de

control en cascada secundario, en la simulación se plantea como punto de consigna un

valor cercano al valor de la temperatura que se obtuvo del análisis termodinámico del

sistema de sobrecalentado de vapor, el diagrama a bloques del lazo de control interno

del lazo de control en cascada secundario se presenta en la Figura 4.36, este lazo se

remarca en verde para su mejor ubicación.




diagrama a bloques del lazo interno del primer lazo en de control en cascada del sistema de

control de atemperación, este lazo se remarca en color verde.

Ya implementado el lazo de control se pasa a hacer pruebas de simulación variando

primeramente la constante proporcional del controlador, hasta que la señal de la

temperatura llegue a el valor del punto de consigna o un valor lo más cercano posible,

enseguida se empieza a agregar ganancia integral, con la intención de disminuir el error

en estado estacionario que pudiera tener la variable controlada.


interno que se obtuvieron se muestran en la Figura 4.37, estos introducidos a la ventana


MatLab.

Figura 4.37. Parámetros obtenidos por medio de la sintonización del controlador interno del lazo

de control en cascada secundario del sistema de control de atemperación.





Figura 4.38. Respuesta de la temperatura a la sintonización del controlador interno del lazo de

control en cascada secundario.


controlador interno del lazo de control en cascada secundario.


con control del lazo interno del lazo de control en cascada, casi se acerca al punto de

consigna, con esto se cumple uno de los requisitos antes mencionados la sección de

sintonización de lazos de control en cascada que se marca en este trabajo.



Ya habiendo sintonizado el lazo interno del lazo de control en cascada secundario, se

conecta el lazo externo al lazo interno, la conexión de estos dos lazos del lazo de control

en cascada primario se puede observar en la figura 4.40. Estos dos lazos se remarcan de

color naranja para poder ubicarlos mejor.


diagrama a bloques del lazo en de control en cascada secundario completo, esta parte del

sistema de control de atemperación, este lazo se remarca en color verde.

Teniendo el lazo de control en cascada integrado, se pasa a hacer pruebas de simulación

variando primeramente la constante proporcional del controlador, hasta que la señal de

la temperatura llegue al valor del punto de consigna, enseguida se empieza a agregar

ganancia integral, con la intención de disminuir el error en estado estacionario que

pudiera tener la variable controlada.


externo que se obtuvieron se muestran en la Figura 4.41, estos introducidos a la ventana


MatLab.



Figura 4.41. Parámetros obtenidos por medio de la sintonización del controlador externo del

lazo de control en cascada primario del sistema de control de atemperación.



Figura 4.42. Respuesta de la temperatura a la sintonización del controlador externo del lazo de

control en cascada secundario.


controlador externo del lazo de control en cascada primario.




con control del lazo externo del lazo de control en cascada esta en el punto de consigna,

con lo cual satisface las expectativas de desempeño que se desean.

Teniendo ya los dos lazos de control en cascada del sistema de control de atemperación

del sobrecalentador ya sintonizados, se continúa con la conexión de estos lazos.

Ya integrados estos dos lazos de control en cascada, se pasa ha hacer pruebas del

desempeño de este sistema de control, esto mediante la adición de perturbaciones al

sistema de sobrecalentado.

Inicialmente, se simula el sistema de control de atemperación con las perturbaciones ya

añadidas desde el principio de la sintonización, esto tomando en cuenta que las

perturbaciones son constantes y que se presentan en el segundo 1100.

El resultado de la simulación con perturbaciones constantes se muestra en la Figura

4.44.

Figura 4.44. Simulación del sistema de sobrecalentado de vapor ante perturbaciones con el

sistema de control de atemperación ya implementado.

Como se puede ver en la Figura 4.44, después de haber sido añadida la perturbación, el

sistema de control de atemperación, se compensa esta perturbación.



Manteniendo a la variable de control en el valor del punto de consigna asignado a la

salida del sobrecalentador que es de 541°C, solamente hay un detalle en el sistema de

control de atemperación implementado, el cual es que después de la presencia de la

perturbación, se presenta un error en estado estacionario, este se muestra en la Figura

4.45.

Figura 4.45. Acercamiento hecho a la curva de respuesta de temperatura del sistema de

sobrecalentado de vapor con el sistema de control de atemperación ya implementado.

Este error se atribuye a que la constante de tiempo del sistema de sobrecalentado de

vapor es muy grande con lo cual el añada demasiada inercia a la dinámica del sistema y

con esto se hace muy lenta la respuesta del mismo sistema ante cambios que se

presenten.

Siguiendo con las pruebas al sistema de control de atemperación del sistema de

sobrecalentado de vapor del generador de vapor, se pasa a introducir perturbaciones con

valores aleatorios, con lo cual se somete a pruebas este sistema de control para mostrar

su rendimiento en operación.

El diagrama del sistema de control con perturbaciones aleatorias añadidas se muestra en

la Figura 4.46.



Figura 4.46. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de vapor con el sistema de

control de atemperación ya implementado, esta añadiéndole perturbaciones aleatorias al sistema

de sobrecalentado de vapor.

La respuesta de la temperatura a la salida del diagrama a bloques que se mostró en la

Figura 4.46 se presenta en la Figura 4.47.

Figura 4.47. Respuesta de la temperatura de salida del sistema de sobrecalentado de vapor con

el sistema de control de atemperación ya implementado añadiéndole señales aleatorias como

perturbación.

En la Figura 4.48, se hace un acercamiento a la curva de comportamiento presentada en

la Figura 4.47, con lo cual se muestra el efecto de la perturbación aleatoria.



Figura 4.48. Comportamiento de la temperatura de salida del sistema de sobrecalentado de

vapor habiendo implementado el sistema de control de atemperación añadiéndole

perturbaciones aleatorias.

Como se puede ver en la Figura 4.48, sigue un error en estado estacionario, pero el cual

se supone que es a causa de la constante de tiempo del sistema de sobrecalentado de

vapor, con lo cual se concluye que el sistema de control cumple con el desempeño

necesario en la regulación de la temperatura del vapor sobrecalentado del sistema de

sobrecalentado de vapor del generador de vapor.



Capitulo 5: Propuesta de Actualización del Sistema de

Control de Atemperación Sistema de

Sobrecalentado de Vapor de un Generador

de Vapor.



En las secciones iniciales de este trabajo, el objetivo que se planteo fue el proponer la

actualización de sistema de atemperación de vapor del sobrecalentador de un generador

de vapor, que en este caso es un generador de vapor de 1172 Ton/Hrs, con un

sobrecalentador de vapor tipo tubular de tres secciones de sobrecalentamiento, para lo

cual se realizo en este trabajo un análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado

de vapor, con el fin de tener una referencia de las condiciones de operación del proceso

termodinámico que se lleva a cabo en este, también se realizo un análisis en el dominio

del tiempo de este sistema este con la finalidad de tener una representación de la

dinámica de este sistema con respecto al tiempo y así poder conocer la reacción de la

dinámica de este sistema ante perturbaciones que se pudieran presentar en su operación.

Con la integración de los resultados obtenidos de los dos análisis realizados en este

trabajo, se implemento un sistema de control con el cual se pudiera regular la

temperatura del vapor de salida del sistema de sobrecalentado de vapor, además de

haber implementado el sistema de control mediante un paquete computacional de

simulación, se hicieron pruebas de su desempeño ante perturbaciones aleatorias

añadidas a la simulación, con lo cual se corroboro el buen desempeño del sistema de

control.

Siguiendo con los objetivos de este trabajo, se continúa con el diseño de la

programación del sistema de control de atemperación para su implementación en un

PLC.

5.1 Consideraciones Preliminares para la Implementación del Sistema de Control

de Atemperación en un PLC.

La parte final de este trabajo es diseñar la programación de la arquitectura de control del

sistema de atemperación que se implemento virtualmente en las secciones anteriores,

esto mediante un PLC (Controlador Lógico Programable) para su posterior

implementación física.



Para realizar la implementación física del sistema de control de atemperación mediante

un PLC, es necesario mencionar las características que tiene que reunir el PLC con el

cual se implementara este sistema de control, para así realizar la selección del

controlador a utilizar.

Las características que debe reunir el PLC con el cual se implementara el sistema de

control de atemperación son:

• Tener la capacidad de procesar señales tanto discretas como analógicas en su

arquitectura de programación.

• Tener la capacidad de procesar un gran número de entradas y salidas en su

estructura funcional.

• Tener una arquitectura modular de entradas y salidas que pueda ser configurable

desde su programación.

• Tener compatibilidad con tarjetas de entradas y salidas analógicas de 4-20 mA.

• Contener instrucciones con las cuales se puedan realizar operaciones

matemáticas.

• Tener una capacidad de memoria de programa amplia para la implementación de

arquitecturas de control regulatorio.

• Contener instrucciones con las cuales se puedan implementar arquitecturas de

control regulatorio en su programación.

• Tener capacidad de comunicación con otros equipos por medio de interfaces

flexibles a protocolos de comunicación.

Tomando en cuenta todas las características nombradas anteriormente, la selección se

enfoca al PLC Allen Bradley SLC 500, esto por que este controlador cumple con las

características anteriormente mencionadas.



Así como también su programación se realiza en diagrama de contactos (lenguaje de

escalera) lo cual facilita su interpretación para cualquier persona que desee hacer

modificaciones, que dese añadir rutinas dentro del mismo programa o para cuestiones

de mantenimiento y actualización del sistema.

Una de las características que hay que resaltar en este PLC que se selecciono, es que

tiene una gran flexibilidad a las entradas y salidas, este controlador puede abarcar hasta

8192 entradas/salidas, refiriéndose a la información obtenida de la referencia [5] de este

trabajo, esta característica como se menciona en este trabajo, puede beneficiar a la

integración de mas sistemas de control del generador de vapor, esto en el mismo

controlador tomando en cuenta a trabajos posteriores que se puedan hacer referidos a la

operación y control del generador de vapor en particular.

5.2 Consideraciones Físicas del Sistema de Sobrecalentado de Vapor para el

Diseño e Implementación del Sistema de Control de Atemperación en un PLC.

Basándose en la propuesta de la arquitectura de control del sistema de atemperación del

sistema de sobrecalentado de vapor, esta mostrada en capítulos anteriores, se pasa a

nombrar a cada uno de los elementos primarios, controladores y actuadores que integran

el sistema de control de atemperación, esto se muestra en la Figura 5.1.

Figura 5.1. Esquema de la arquitectura de control del sistema de control de atemperación

identificando cada una de sus partes.



Tomando en cuenta al esquema que se menciona en la Figura 5.1, el sistema de control

de atemperación cuenta con señales de entrada al controlador (estas provenientes de los

transmisores de temperatura), tanto como salidas del controlador (estas hacia las

válvulas de control de flujo de agua de atemperación).

Con estas bases se simulo en la herramienta computacional y se implemento en el

mismo simulador al sistema de control, dando como resultado la arquitectura que se

mostró en el esquema de la Figura 5.1, sin embargo, físicamente, el sistema de

sobrecalentado de vapor, en el cual se implemento el sistema de control de

atemperación, posee derivaciones en las conexiones entre las secciones del

sobrecalentador de vapor, las cuales se tienen que contemplar para la cuantificación de

entradas y salidas al controlador.

Para la cuantificación de entradas y salidas se retoma el diagrama físico del sistema de

sobrecalentado de vapor que se presento en secciones anteriores de este trabajo, con el

cual se seleccionan los puntos de monitoreo de las señales de entrada del sistema de

control de atemperación de este sistema, así como también se cuantifican las señales de

salida de este sistema de control, con lo cual se llega al siguiente diagrama que se


En el diagrama de la Figura 5.2, se muestra la instrumentación necesaria para el

monitoreo de las variables que se necesita tomar en cuenta para el control de la

temperatura del vapor mediante la atemperación de este, así también se toma en cuenta

las variables que se necesitan manipular para controlar la temperatura del vapor, todas

estas se remarcan con un cuadro naranja en su fondo.

Las variables antes mencionadas son;

1. Variables a monitorear:

• Temperaturas a la entrada en las secciones secundaria y terciaria del sistema




• Temperaturas a la salida en las secciones secundaria y terciaria del sistema


2. Variables a manipular:

• Flujo de la atemperación primaria y secundaria, esto independientemente.

Un aspecto que hay que tomar en cuenta en todo este diseño e implementación, es el

que todas las señales de los instrumentos así como todas las señales de los elementos

finales de control manejan una señal normalizada de 4 – 20mA.

También otra mención que se hace es que este trabajo no se involucra en la selección de

los elementos primarios de medición necesarios para el monitoreo de las variables del

sistema de control, en este trabajo solo se proponen los rangos de estos así como

también se proponen las señales que deben manejar para su conexión con el sistema de

control.



S-19

S-18

S-17

S-16

S-15

S-15

S-15

S-15

S-14

S-13

S-13

S-13

S-13

S-12

A LA TURBINA DE ALTAPRESIÓN

TOBERAS DE FLUJO

TT02BB

TT02BA

TT02BD

TT02BC

S-25

S-24

S-23TT

01AA

TT01AB

TT01BA

TT01BB

S-22

S-21

S-21

TT02AA

TT02AB

M

TV02A

TV02B

MM

TV02C

TV02D

M M

TV01A

TV01B

M

De Cabezal “U”

Figura 5.2. Instrumentación de sistema de control de atemperación del sistema de sobrecalentado de vapor.



Refiriéndose al diagrama de la Figura 5.2, se puede hacer una cuantificación de las

señales físicas que se monitorean en el sistema (señales de entrada al PLC), así como

también las señales físicas que manipulan a los actuadores del sistema de control

(señales de salida del PLC), estas se especifican en la Tabla 5.1.

Tabla 5.1. Cuantificación de entradas y salidas físicas al sistema de control.

Teniendo ya cuantificadas las señales físicas de entradas y salidas al sistema de control,

se sigue con la totalización de estas señales, tomando en cuenta que para expansiones

posteriores en el sistema, se incluye un 20% más en entradas y salidas en el controlador

físico, esto se muestra en la Tabla 5.2.



nΣ

nΣ

nΣ

nΣ

Figura 5.3. Diagrama físico del sistema de control de atemperación del sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor.



Tabla 5.2. Cuantificación total de entradas y salidas físicas al sistema de control.

Cuantificación Entradas Analógicas Salidas Analógicas

Subtotal 10 6

Tolerancia 2 2

Total 12 8

Ya habiendo cuantificado las entradas y las salidas físicas al sistema de control, se pasa

a plantear el diagrama en el cual se simbolizan las entradas y las salidas tomando en

cuenta las señales que se manejan entre los instrumentos y el PLC, así como también

tomando las señales que se manejan entre el PLC y los elementos finales de control,

este se muestra en Figura 5.3.

Selección de las Partes del PLC.

En base a los diagramas de las Figuras 5.2 y 5.3, así como también en base de en la

cuantificación de señales que se mostró en la Tabla 5.2, se seleccionan las partes que

integran al PLC, estas se mencionan sección por sección.

Módulos de Entradas/Salidas Analógicas:

• Entradas: Modulo 1746-NI16I, modulo de 16 entradas analógicas de

corriente.

• Salidas: 2 módulos 1746-NO4I, módulos de 4 salidas analógicas de

corriente cada uno.

Modulo Procesador:

• Modulo: 1747-5/03 CPU 16K memoria OS302 Series C.

Ya habiendo seleccionado los módulos que integran a nuestro sistema, se continúa con

la selección del chasis y la fuente de alimentación que completaran el PLC que se

utilizara.



Chasis (Rack):

Como se cuenta con 4 módulos en total, tomando en cuenta los módulos de E/S y el

procesador del sistema a implementar, se selecciona un Rack (chasis) que contenga 4

Slots (espacios para la colocación de los módulos del sistema), por lo cual se

selecciono:

• Chasis: 1746-A4, Rack con 4 Slots.

Por ultimo en la selección de las partes físicas del controlador, teniendo en cuenta los

módulos de E/S y el procesador a utilizar, se selecciona la fuente de alimentación del

sistema, la cual se basa en las corrientes de backplane de cada uno de los módulos, por

lo cual la fuente de alimentación es:

• Fuente de Alimentación: 1746-P2, fuente de alimentación con voltaje de línea

de: 85-132/170-265 VCA, de 47 A, a 63 Hz.

Algunas menciones de esta sección de selección del hardware que integra el PLC a

utilizar en este trabajo es:

No se eligió modulo de comunicaciones, por la cuestión de que el 1747-5/03 CPU,

posee un puerto RS-232 para comunicación serial.

El software para la programación y configuración de este PLC, es el RSLogix 500 de

Rockwell Automation.

La metodología que se siguió en la selección de las partes integrantes del sistema SLC

500, se extrajo de la referencia [6].



5.3 Programación en PLC del Algoritmo de Control Para el Sistema de Control de

Atemperación del Sistema de Sobrecalentado de Vapor de un Generador de

Vapor.

En la programación de la arquitectura de control para el sistema de control de

atemperación, es necesario primordialmente, configurar el hardware el cual se

selecciono en la sección anterior, después, es necesario asignar las ranuras de entrada de

cada una de las entradas, posteriormente, se escala cada una de las entradas, con la

finalidad de acoplar los datos que presentan los modulo de entradas con los datos que el

procesador (CPU) utiliza en su funcionamiento.

Ya habiendo programado la arquitectura de control, tomando en cuenta la asignación de

localidades de memoria de cada una de las variables que se ocupan en el sistema de

control, es necesario escalar las variables de salida a los módulos de salida del PLC, con

la finalidad de acoplar los datos que se manejan en el programa del sistema de control

con los datos que pueden manejar los módulos de salida del PLC, tomando en cuenta

que en este escalamiento trae inmerso la asignación de las ranuras de cada salida de

cada uno de los módulos de salida que integran al PLC.

La metodología que se menciono en los párrafos anteriores se describe a continuación.

5.3.1 Configuración de Hardware.

Iniciando con la configuración del hardware que se ocupara para la implementación del

sistema de control de atemperación, primeramente, se selecciona el procesador a usar,

esto se hace al inicio del proyecto en RSLogix 500, el cual se muestra en la Figura 5.4.



Figura 5.4. Selección del procesador del PLC en RSLogix 500.

Enseguida se agrega el chasis el cual se selecciono en secciones anteriores de este

trabajo, su integración al proyecto se muestra en la Figura 5.5.

Figura 5.5. Selección del chasis a usar en el PLC en RSLogix 500.

En la Figura 5.5, se resalta la ventana de selección del chasis para el PLC, esta opción se

encuentra en el icono de I/O Configuration del árbol de proyecto de RSLogix 500, así

también en esta ventana, se hace la selección y configuración de los módulos de E/S y

fuente de alimentación.



En la Figura 5.6, se muestra la selección de los módulos de E/S.

Figura 5.6. Selección de los módulos de E/S del PLC en RSLogix 500.

Por ultimo en la selección del hardware que integra al proyecto del sistema de control

de atemperación, se selecciona la fuente de alimentación, la ventana de configuración se

presenta al dar clic en el botón PowerSupply… que se encuentra arriba de la lista de

módulos E/S, en la ventana de I/O Configurations, esta ventana de configuraciones se


Figura 5.7. Ventana de configuración de Fuente de Alimentación en RSLogix 500.

Con la selección de la fuente de alimentación en RSLogix 500, se pasa a la sección de

asignación de entradas y salidas de los módulos.



5.3.2 Asignación de Entradas y Salidas de los Módulos que Integran al PLC.

Basándose en la Tabla 5.1 de este capitulo, en la cual se hace una cuantificación de las

entradas y salidas que requiere la arquitectura de control del sistema de control de

atemperación, se hace la asignación de bornes de cada uno de los módulos que contiene

el PLC que se propuso en este trabajo.

Tomando en cuenta que el direccionamiento se efectúo en base a la referencia [7], en la

cual se menciona como debe de introducirse la sintaxis para esta asignación de ranuras,

se presenta la tabla 5.3, la cual contiene el Tag de cada uno de los instrumentos que

integran el sistema de control, así como también esta tabla contiene el tipo de señal que

manejan estos instrumentos por ultimo esta tabla contiene la ranura asignada en cada

uno de los módulos.

Tabla 5.3. Asignación de ranuras de los módulos del PLC.



Cabe mencionar que la numeración de los Slots empieza en 1, por la cuestión que el

Slot 0, es la que ocupa el procesador.

Teniendo ya asignadas las ranuras de cada uno de los módulos de E/S, se continúa con

el escalado de las señales de entrada.

5.3.3 Escalado de Señales de Entrada y Salida de los Módulos del PLC.

El escalado de las señales de entrada y salida del PLC, tiene la intención de interpretar

los datos que ofrecen los módulos de entradas e interpretar los datos que entregan los

bloques de los algoritmos de control que se programaron para su interpretación por

parte de los módulos de salidas.

Tomando en cuenta la información contenida en la referencia [8] y [9].

• Para los módulos de entrada:

Para la señal de: Representación Decimal por parte del Modulo.

4 – 20mA 3277 a 16,384

Tabla 5.4. Rangos de representación decimal para la señal de entradas analógicas de los

módulos del PLC.

Los parámetros suministrados por la documentación técnica de la instrucción SCL del

PLC para la realización del escalado so:

Parámetro 4 – 20mA

Régimen /10,000 12,499

Offset -4096

Tabla 5.5. Parámetros para la utilización de la instrucción SCL para el escalado de señales de

entrada analógicas.



Teniendo estos parámetros ya establecidos se introducen estos datos en los bloques de

instrucciones del programa para el escalamiento de las señales de entrada del PLC, en la

Figura 5.8, se muestran las líneas de instrucción del escalado de las señales de los

transmisores TT-01AA & TT-01AB, los cuales ya se les había asignado ranuras de

entrada a sus señales.

Figura 5.8. Líneas de instrucción de escalado de los transmisores TT-01AA & TT-01AB en el

programa del sistema de control de atemperación.

Se hace referencia que todas las entradas que se captan en los módulos de entrada del

PLC, conllevan el mismo procedimiento que se acaba de describir para su escalamiento.

• Para los módulos de salida:

Para la señal de: Representación Decimal por parte del Modulo.

4 – 20mA 6242 a 31,208

Tabla 5.6. Rangos de representación decimal para señales de salida analógicas de los módulos

del PLC

Los parámetros suministrados por la documentación técnica de la instrucción SCL del

PLC para la realización del escalado son:

Parámetro 4 – 20mA

Régimen /10,000 15,239

Offset 6242

Tabla 5.7. Parámetros para la utilización de la instrucción SCL para el escalado de señales de

salidas analógicas.



Teniendo estos parámetros ya establecidos se introducen estos datos en los bloques de

instrucciones del programa para el escalamiento de las señales de entrada del PLC, en la

Figura 5.9, se muestran las líneas de instrucción del escalado de las señales para las

válvulas TV-01A & TT-01B, los cuales ya se les había asignado ranuras de salida.

Figura 5.9. Líneas de instrucción de escalado de las válvulas TV-01A & TV-01B en el

programa del sistema de control de atemperación.

Se hace referencia que todas señales de salida que se emiten de los módulos de salida

del PLC, conllevan el mismo procedimiento que se acaba de describir para su

escalamiento.

5.3.4 Programación de la Arquitectura de Control del Sistema de Control de

Atemperación en RSLogix 500

La programación de la arquitectura de control del sistema de control de atemperación

del sistema de sobrecalentado de vapor se genera integrando varios bloques de

instrucciones del software RSLogix 500 de Rockwell Software, estas instrucciones

fueron consultadas de la referencia [10], esta programación se base en la arquitectura de

presentada en la figura 5.3, así también, se plantea el diagrama de flujo de la rutina

principal programa que se cargara en el PLC para la implementación de la arquitectura

de control del sistema de control de atemperación, este diagrama de flujo se muestra en

la figura 5.10.



Inicio

Fin.

SiNo

SLC

E.A.

Lim

Prom

PID

SLC

S.A.

Captura de Valores de las Tarjetas de Entradas Analógicas.

Escalamiento de Valores de las Tarjetas de Entradas Analógicas.

Monitoreo de valores de las tarjetas de Entradas Analógicas, si están en el Rango de 4–20mA.

Promediado de los valores de las entradas Analógicas.

Realización de las acciones correctivas en base a la aplicación de los algoritmos de control PID de la arquitectura de control programada.

Escalamiento de Valores de salida de la arquitectura de control programada.

Desplegado de los valores de salida de la arquitectura de control en las tarjeras de Salidas Analógicas.

Figura 5.10. Diagrama de flujo de la rutina que se programo en el PLC, para la implementación

de la arquitectura de control del sistema de control de atemperación del sistema de

sobrecalentado de vapor del generador de vapor.

Tomando en cuenta el diagrama de la Figura 5.3, en el cual se plantea el diagrama de las

señales que se manejan en el sistema de control, en este se plantean que para las señales

de entrada de los transmisores TT-01AA & TT-01AB.



Se hace un promedio de las dos señales, esto es por se toma la consideración de que la

lectura de esta temperatura se hace en un cabezal de concentración de las secciones del

sobrecalentador.

Por lo cual se asume que en todo el cabezal se maneja el mismo fluido a las mismas

condiciones, esta suposición es en condiciones ideales de funcionamiento, mas sin

embargo en el sistema real, puede haber una variación minima, esta podría ser

despreciable, mas sin embargo por seguridad se hace un promedio de las dos

mediciones que se adquieren por los transmisores.

La suposición anterior se hace extensiva para las señales que también se promedian en

el mismo sistema de control.

El tratamiento de estas señales se explica a continuación:

5.3.4.1 Asignación de Restricciones en los Valores de Entrada.

Para promediar las dos señales de entrada del mismo punto, primordialmente se escalan

estas señales, como se menciono en secciones anteriores. A continuación, cada una de

estas señales de entrada ya escaladas, se compara el valor de las señales con los limites

del rango de 4 – 20mA, esto por la cuestión de que el modulo de entrada analógica

puede arrojar valores fuera del rango de 4 – 20mA.

Con lo cual se tendría una condición no prevista en el algoritmo de control, la

instrucción LIM es la que se usa para verificar el valor de la señal de entrada, si esta

señal sobrepasa los límites ya establecidos, esa instrucción no permite que se ejecuten

las instrucciones siguientes.

El uso de esta instrucción se muestra en la Figura 5.11, en la cual se están comparando

los valores de las señales provenientes de los transmisores TT-01AA & TT-01AB.



Figura 5.11. Comparación de límites permitidos en las señales de los transmisores

TT-01AA & TT-01AB

5.3.4.2 Promediado de Señales de Entrada.

Habiendo comprobado los valores de las señales de entrada provenientes de los

transmisores, se continúa con la división de cada una de las variables entre dos, en esta

operación se utiliza la instrucción DIV, el procedimiento de esta operación se muestra

en la Figura 5.12.

Figura 5.12. División de las señales de entrada de los transmisores

TT-01AA & TT-01AB.

Como se puede ver en la Figura 5.12, la división de las señales de los transmisores TT-

01AA & TT-01AB, esta condicionada el estado que tengan las banderas B3:0.0 &

B3:0.1, esto tiene la intención de condicionar operación del algoritmo de control a el

rango de operación de las señales de entrada, es decir, se lleva la operación de división

para el promedio de las señales de entrada solo si, estas señales se encuentran en el

rango establecido en los bloques LIM que se mostraron en la Figura 5.11.



Teniendo la división entre dos de cada de las señales que emiten los transmisores

TT-01AA & TT-01AB, se suman estos resultados, esto con la instrucción ADD, en la

Figura 5.13, se muestra este procedimiento.

Figura 5.13. Procedimiento de suma de las señales de los transmisores

TT-01AA & TT-01AB después de haberse dividido entre dos.

Cabe mencionar que el tratamiento que se les dio a las señales de los transmisores

TT-01AA & TT-01AB es el mismo que se les da a las señales de los demás

transmisores que integran la arquitectura de control del sistema de control de

atemperación.

5.3.4.3 Utilización de Bloques PID.

Siguiendo con la programación de la arquitectura de control del sistema de control de

atemperación del sistema de sobrecalentado de vapor, se pasa a insertar y configurar a

los bloques de instrucción PID, los parámetros y las formas de colocar estos bloques

dentro del programa del PLC se tomo de la referencia [10].

Asignación de Localidades de Memoria a las Señales de la Arquitectura de Control.

Tomando en cuenta el diagrama que se presento en la Figura 5.1, en donde se

representa la forma de interconexión de los elementos de la arquitectura de control del

sistema de sobrecalentado, se presenta el diagrama de la Figura 5.14, el cual representa

las mismas señales del diagrama de la Figura 5.1 además muestra las localidades de

memoria asignadas a cada una de las variables que se ocupan en la programación de la

arquitectura de control del sistema de control de atemperación.



SH-3SH-2SH-1

1 2

Del Domo Superior


S.P.

TT TT

TC TCS.P.

TT TT

M

M

De Bomba de Agua de


TT01A

TT01B

TT02A

TT02B

TC01A

TC01B

TC02A

TC02B

TV02

TV01

AT-01AT-02

N7:4

N7:26

N7:9

N7:50

N7:25

N7:74N7:98

N7:121

N7:73

N7:49

N7:14

N7:97

Figura 5.14. Diagrama de localidades de memoria ocupadas en el PLC para cada señal de la

arquitectura de control del sistema de control de atemperación.

Teniendo definidas las localidades de memoria de cada una de las partes de la

arquitectura de control del sistema de control de atemperación, se pasa a implementarlo

en el software RSLogix 500.

La implementación se hace por secciones, esto con la intención de no generar

confusiones con bloques de instrucciones o ingresar direcciones que no correspondan al

bloque de instrucciones.

Cabe mencionar que los parámetros de cada uno de los bloques que se usaron para la

programación de la arquitectura de control del sistema de control de atemperación

fueron consultados de la referencia [10].

Configuración de Bloques de Instrucción PID en RSLogix 500.

• Controlador TC-01A.

Para este controlador se le asigno la localidad de memoria N7:26 para el bloque, para

variable de proceso se le asigno la localidad de memoria N7:4, y como variable de

control se asigno la localidad de memoria N7:49. El Bloque en el diagrama de escalera

en RSLogix 500, se muestra en la Figura 5.15.



Figura 5.15. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-01A.

Los parámetros que se le asignaron al algoritmo PID del el bloque de instrucción de la

Figura 5.15, fueron los siguientes.

Figura 5.16. Parámetros de configuración del boque PID del controlador TC-01A.

Para ingresar el valor del punto de referencia de este bloque, se hizo necesario tomar el

valor de la simulación de este punto de referencia que fue de 541°C, después, pasar el

valor de esta magnitud a un valor de corriente que acepta el controlador que se

implemento en la simulación del sistema de control de atemperación, el valor que se

obtuvo fue de 10.418mA, ya teniendo el valor de esta corriente, tomando las formulas

que se muestran en el anexo 2, se obtuvo el valor de 8534, este es un valor entero que

admite el bloque de instrucción PID, y la descarga de este valor fue directa en el bloque

de parámetros de configuración del bloque PID.

• Controlador TC-01B.







Figura 5.17. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-01B.


figura 5.17, fueron los siguientes.

Figura 5.18. Parámetros de configuración del boque PID del controlador TC-01B.

En este bloque de control, no se especifico ningún valor al punto de referencia del

algoritmo PID, esto por la cuestión de que en la arquitectura de control, el punto de

referencia para este controlador es la variable de proceso del controlador TC-01A, así

que, siguiendo esta condición, se asigno el valor de la variable del controlador TC-01A

por medio de la utilización de el bloque de instrucción Move, la utilización de este

bloque se muestra en la Figura 5.19, la informacional de la localidad de memoria

asignada para el bloque de instrucción PID que se ocupo para el controlador TC-01B, se

encuentra en el anexo 3, la información del bloque de instrucción Move se consulto de

la referencia [10].

Figura 5.19. Asignación del punto de referencia al bloque de instrucción PID asignado para el

controlador TC-01B.



• Controlador TC-02A.





Figura 5.20. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-02A.


Figura 5.20, fueron los siguientes.

Figura 5.21. Parámetros de configuración del boque PID del controlador TC-02A.





por medio de la utilización de el bloque de instrucción Move.



La utilización del bloque Move se muestra en la Figura 5.22, la informacional de la

localidad de memoria asignada para el bloque de instrucción PID que se ocupo para el

controlador TC-02A, se encuentra en el anexo 3, la información del bloque de

instrucción Move se consulto de la referencia [10].


controlador TC-02A.

• Controlador TC-02B.

Para este controlador se le asigno la localidad de memoria N7:98 para el bloque

instrucción, para la variable de proceso se le asigno la localidad de memoria N7:25, y

como variable de control se asigno a la localidad de memoria N7:121. El Bloque en el

diagrama de escalera en RSLogix 500, se muestra en la Figura 5.23.

Figura 5.23. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-02B.

Los parámetros de configuración del bloque de la Figura 5.23, fueron los siguientes.

Figura 5.24. Parámetros de configuración del boque PID del controlador TC-02B.







por medio de la utilización de el bloque de instrucción Move.

La utilización del bloque Move se muestra en la Figura 5.25, la informacional de la

localidad de memoria asignada para el bloque de instrucción PID que se ocupo para el

controlador TC-02B, se encuentra en el anexo 3, la información del bloque de

instrucción Move se consulto de la referencia [10].


controlador TC-02B.

Por ultimo cabe mencionar que el paso final es escalar las variables de salida para los

módulos de salida del controlador, esta acción ya se llevo acabo en secciones anteriores

de este capitulo, esto para enviar estas señales de salida desde los módulos de salida del

PLC.



Conclusiones. El resultado de este trabajo arroja los siguientes resultados.

• En base a los análisis termodinámicos hechos en este trabajo, se cumplió con

uno de los objetivos planteados al principio de este, teniendo como beneficio de

este análisis, la obtención de los valores de los puntos de operación ideales de

cada una de las secciones del sistema de sobrecalentado de vapor, los cuales, se

ocuparon en la sección de sintonización de la arquitectura de control del sistema

de atemperación.

• Mediante el modelado matemático que se realizo en el capitulo 3 de este trabajo,

se pudo obtener un modelo especifico del sistema de sobrecalentado de vapor,

así como también con la ayuda de este modelo matemático, se pudo realizar la

simulación de la dinámica de este sistema, con lo cual se pudo realizar un

análisis en función del tiempo de este sistema, con lo cual, se cumple uno de los

objetivos particulares planteados al inicio de este trabajo.

• Tomando el modelo matemático del sistema de sobrecalentado de vapor del

generador de vapor, obtenido en el capitulo 3 de este trabajo, se pudo realizar la

propuesta de un sistema con el cual se puede regular la temperatura de vapor

sobrecalentado del generador de vapor, esto en base a la atemperación del vapor

sobrecalentado, este sistema cumpliendo con parámetros de deséemelo deseados.

• Ocupando los modelos matemáticos del sistema de sobrecalentado de vapor que

se realizo en este trabajo, se obtuvo una herramienta computacional con la cual,

se puede simular la respuesta de este sistema a diferentes perturbaciones en las

temperaturas de los gases de combustión que pudiesen presentarse en la realizad.



• Tomando los análisis termodinámicos realizados y tomando los modelados

matemáticos de las partes del sistema de sobrecalentado de vapor y del sistema

de atemperación de vapor sobrecalentado, se propuso una arquitectura de control

del sistema de atemperación del sobrecalentador de vapor la cual, con ayuda de

la herramienta computacional obtenida en este trabajo, se pudo simular su acción

a diferentes perturbaciones planteadas en diferentes magnitudes y

comportamientos, con lo cual comprobando su funcionamiento y buen

desempeño.

• Ocupando la arquitectura de control del sistema de atemperación del sistema de

sobrecalentado de vapor, se realizo la propuesta de actualización del sistema de

control de sobrecalentado de vapor del generador de vapor, esto aplicando un

PLC, tomando en cuenta las condiciones y rangos de operación de este sistema,

con lo cual se cumple el objetivo principal de este trabajo.



Referencias.

[1] C.F.E., “Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi Unidades 1 y 2, C. T.

Manzanillo II”, Gerencia de Generación y Transmisión, México.

[2] C.F.E., “Prontuario de Datos Técnicos”, Gerencia Regional de Producción

Occidente, Central Termoeléctrica Manzanillo II. México.

[3] Lindsley D., “Power-Plant Control and Instrumentation, The Control of Boilers

and HRSG Systems”, The Institution of Electrical Engineers.

[4] Fryling, G. M. E., “Combustion Engieenering, A Reference Book on Fuel

Burning and Steam Generation”, Ed. Combustion Engineering Inc., New York.

[5] Allen Bradley, Boletin 1747-br017 “Controladores Programables SLCTM 500”,


[6] Allen Bradley, Boletines 1747 y 1747 “Sistemas SLC 500, Guía de Selección”,


[7] Allen Bradley, SLC 500TM Family of Programmable Controllers, “Adressing

Reference Manual”, Rockwell Automation.

[8] Allen Bradley, Catalog Numbers 1746-NI4, 1746-NIO4I, 1746-NIO4V, 1746-NO4I,

and 1746- NO4V) “SLC™ 500 4-Channel Analog I/O Modules” , Rockwell

Automation.

[9] Allen Bradley, Catalog Numbers 1746-NI16I and 1746-NI16V “SLC 500™ Analog

Input Modules”, Rockwell Automation.

[10] Allen Bradley, Boletin 1761, “Manal de Referencia, Juego de Instrucciones de

SLC 500™ y MicroLogix™”, Rockwell Software.



[11] M. J. Moran, H. N. Shapiro, “Termodinámica Técnica”, 2ª Ed., Ed. Prentice Hall.

[12] Brito B. L., Toledo V. M. y col. XXII Congreso Nacional de Termodinámica.

“ANALISIS TERMODINÁMICO DE UNA TURBINA DE VAPOR DE 350 MW,

CASO: TERMOELÉCTRICA MANZANILLO II”. México, Toluca.

[13] Ogata K., “Ingeniería de Control Moderna”, 4ª ed., Ed. Prentice Hall, España.

[14] C. F. E., “Manual de Participante, Operadores y Superintendentes de Turno”,

Dirección de Operación, Coordinación de los CENAC, México.

[15] C.A. Smith, A. B. Corripio, “Control Automático De Procesos

Teoría Y Práctica”, Noriega Editores, Editorial Limusa, México.

[16] L. A. Veza, “Apuntes Sobre Generadores de Vapor”, Instituto Politécnico

Nacional, México.

[17] A. A. Sáez, “Apuntes de Generadores de Vapor”, Instituto Politécnico Nacional,

México.

[18] K. Wark, D. E. Richards, “Termodinámica”, 6a ed. McGraw-Hill, Mexico.

[19] E. A. Avallone, T. Baumeister, A. Sadegh, “Marks Standard Handbook for

Mechanical Engineers”, 11a ed, McGraw-Hill, United States of America.

[20] F. G. Shinskey, “Sistemas de Control de Procesos, Aplicación, Diseño y

Sintonización, Tomo I”, McGraw-Hill, México.

[21] F. G. Shinskey, “Sistemas de Control de Procesos, Aplicación, Diseño y

Sintonización, Tomo 2”, McGraw-Hill, México.

[22] K. Astrom, T. Hagglund, “PID Controllers: Theory, Desing and Tuning”, 2a ed,

Instrument Society of America, United States of America.



[23] Fisher, “Control Valve Handbook” 4ª ed, EMERSON Process Management.

[24] C. D. Swift, “Plantas de Vapor Arranque, Prueba y Operación”, Compañía

Editorial Continental, México.

[25] M. Llorens, A. L. M. Barreras, “Ingeniería Térmica”, CEAC, México.

[26] Brito B. L., Nava R. O., y col. XXIII Congreso Nacional de Termodinámica.

“ANALISIS DEL ESTADO TERMICO DE UN GENERADOR DE VAPOR PARA

UNA TURBINA DE 350 MW.”. México, Ecatepec de Morelos.



ANEXO 1.

Programación de la Arquitectura del Sistema de Control de Atemperación Diseñada para el PLC SLC 500.



ANEXO 2.

Formulas de Conversiones de Valores para

Entradas Analógicas del PLC, SLC 500TM,

Allen Bradley.

Publication 1746-UM005B-EN-P - June 2004

4-6 Module Operation and System Considerations

If you are using the Hand-Held Terminal (HHT) or the Data Table Access Module™ (DTAM) to monitor input and output data, the binary radix is the only available option. To view the analog input and output data in decimal radix, the data must be moved to an integer data file.

Converting Analog Input Data

Analog inputs convert current and voltage signals into 16 bit two’s complement binary values.

The table below identifies the current and voltage input ranges for the input channels, the number of significant bits for the applications using input ranges less than full scale, and their resolution

To determine an approximate voltage that an input value represents, use one of the following equations:

Voltage/Current Range Decimal Representation Number of Significant Bits Resolution per LSB

-10V dc to +10V dc - 1LSB -32,768 to +32,767 16 bits 305.176 μV

0 to 10V dc - 1LSB 0 to 32,767 15 bits

0 to 5V dc 0 to 16,384 14 bits

1 to 5V dc 3,277 to 16,384 13.67 bits

-20 mA to +20 mA -16,384 to +16,384 15 bits 1.22070 μA

0 to +20 mA 0 to 16,384 14 bits

4 to +20 mA 3,277 to 16,384 13.67 bits

× input value = input voltage(V)10V32,768

The Input Value is the decimal value of the word in theinput image for the corresponding analog input.

For example, if an input value of ±16,021 is in the inputimage, the calculated input voltage is:

10V32,768

× ±16,201 = ±4.889221(V)

It should be noted that this is the calculated value. Theactual value may vary within the accuracy limitations of themodule.


Module Operation and System Considerations 4-7

To determine an approximate current that an input value represents, you can use the following equation:

Converting Analog Output Data

Analog outputs convert a 16-bit two’s complement binary value into an analog output signal. Because the analog output channels have a 14-bit converter, the 14 most significant bits of this 16-bit number are the bits that the output channel converts.

The NIO4I and NO4I support two and four current outputs respectively, ranging from 0 mA to a maximum of 21 mA. The NIO4V and NO4V support two and four voltage outputs respectively, ranging from -10 to +10 Volts dc.

The following tables identify the current and voltage output ranges for the output channels, the number of significant bits for the applications using output ranges less than full scale, and their resolution.

Current Range Decimal Representation for Output Word

Number of Significant Bits

Resolution per LSB

0 to 21 mA - 1LSB 0 to +32,764 13 bits 2.56348 μA

0 to +20 mA 0 to +31,208 12.92 bits

4 to +20 mA 6,242 to +31,208 12.6 bits

× input value = input current (mA)20 mA16,384

The Input Value is the decimal value of the word in theinput image for the corresponding analog input.For example, if an input value of 4096 is in the input image, the calculated input current is:

× 4096 = 5(mA)

It should be noted that this is the calculated value. Theactual value may vary within the accuracy limitations ofthe module.

20 mA16,384


4-8 Module Operation and System Considerations

Use the following equation to determine the decimal value for the current output:

Use the following equation to determine the decimal value for the voltage output:

Voltage Range Decimal Representation for Output Word

Number of Significant Bits

Resolution per LSB

-10 to +10V dc - 1LSB

-32,768 to +32,764 14 bits 1.22070 mV

0 to +10V dc - 1LSB

0 to +32,764 13 bits

0 to 5V dc 0 to +16,384 12 bits

1 to 5V dc +3,277 to +16,384 11.67 bits

× Desired Current Output (mA) = Output Decimal V alue

For example, if an output value of 4 mA is desired, the value to be put in thecorresponding word in the output image can be calculated as follows:

× 4 mA = 6242

Note: The actual resolution for analog current outputs is 2.56348 μA per LSB,where the LSB position in the output word is indicated as:

32,768

21 mA32,768

21 mA

0123456789101112131415

LSB

X X

X = Bit Not Used

× Desired Voltage Output (V dc) = Output Decimal V alue

For example, if an output value of 1V dc is desired, the value to be put in thecorresponding word in the output image can be calculated as follows:

× 1V dc = 3277

Note: The actual resolution for analog voltage outputs is 1.22070 mV per LSB,where the LSB position in the output word is indicated as:

32,768

10V dc32,768

10V dc

0123456789101112131415

LSB

X X

X = Bit Not Used


Module Operation and System Considerations 4-9

System Considerations This section describes the system considerations for an analog module. These include:

• safe state for outputs

• retentive programming

• input out-of-range detection

• response to slot disable

• input channel filtering

Safe State for Outputs

Whenever an SLC 500 system is NOT in the RUN mode, the outputs on the analog module are automatically forced to 0 Volts or 0 mA by the SLC 500 system. This occurs when the processor is in the:

• FAULT mode

• PROGRAM mode

• TEST mode

Retentive Programming Option

This section describes the affects of a processor mode change on analog outputs. The following information applies to the 1746-NIO4I, NIO4V, NO4I and NO4V analog modules.

This programming option allows you to retain analog data in the Input and Output Image tables when the SLC 500 processor:

• transitions from RUN-PROGRAM-RUN mode OR

• when power is turned OFF and reapplied

In both cases, when power is reapplied, the data is transferred to the module whether the programming rung is true or false.

If an SLC 500 system detects a fault condition, the analog outputs reset to zero. The data in the Output Image table is retained during the

ATTENTION When designing and installing the SLC 500 system, devices connected to the analog module output channels must be placed into a safe state whenever the analog output is 0 volts or 0 mA (± the offset error).


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor 181

ANEXO 3.

Escalado de Bloques PID & E/S

Analógicas para el PLC, SLC 500TM, Allen

Bradley.

��Manual de referencia del juego de instrucciones

9–14

Escala PID y E/S analógicas

Para la instrucción SLC 500 PID, la escala numérica para la variable de proceso(PV) y la variable de control (CV) es 0 a 16383. Para usar unidades de ingeniería,tal como PSI o grados, primero debe escalar sus rangos de E/S analógicas dentro dela escala numérica de arriba. Para hacerlo, use la instrucción de escala (SCL) y sigalos pasos descritos a continuación.

1. Escale su entrada analógica calculando la pendiente (o régimen) del rango deentrada analógica al rango PV (0 a 163873). Por ejemplo, una entradaanalógica con un rango de 4 a 20 mA tiene un rango decimal de 3277 a 16384.El rango decimal debe ser escalado por todo el rango de 0 a 16383 para usocomo PV.

2. Escale el CV para que se distribuya de manera equitativa por todo el rango desalida analógica. Por ejemplo, una salida analógica que tiene una escala de 4 a20 mA, tiene un rango decimal de 5242 a 31208. En este caso, 0 a 16383 debeser escalado por todo el rango de 6242 a 31208.

Una vez que ha escalado sus rangos de E/S analógicas hacia/desde la instrucciónPID, puede introducir las unidades de ingeniería mínimas y máximas que seaplican a su aplicación. Por ejemplo, si el rango de entrada analógica de 4 a 20mA representa 0 a 300 PSI, puede introducir 0 y 300 como los parámetrosmínimos (Smin) y máximos (Smax) respectivamente. La variable de proceso,error, punto de ajuste y banda muerta se mostrarán en unidades de ingeniería enla pantalla del motor de datos PID. El punto de ajuste y la banda muerta sepueden introducir en la instrucción PID usando unidades de ingeniería.

Las ecuaciones siguientes muestran la relación lineal entre el valor de entrada y elvalor con escala resultante.

Valor con escala = (valor de entrada pendiente x) + offset

Pendiente = (escala m áx. ± escala mín.) / (entrada máx. ± entrada mín.)

Offset = escala mín. ± (entrada mín pendiente x)

Uso de la instrucción SCL

Use los valores siguientes en una instrucción SCL para escalar los rangos deentrada analógica comunes para las variables de proceso PID.

��

��

��

Instrucción proporcional integral derivativa

9–15

Use los valores siguientes en una instrucción SCL para escalar las variables decontrol a salidas analógicas comunes.

��

��

��

Uso de la instrucción SCP

Use los valores siguientes en una instrucción SCP para escalar sus entradasanalógicas al rango PV y escalar el rango CV a su salida analógica.

��

��

�� !� ��!� � ��

��"�#��

��"�#�� !� ��!� ��!�

Use los valores siguientes en una instrucción SCP para escalar variables de controla salidas analógicas comunes.

��

��

�� !� ��!� ��!�

��"�#��

��"�#�� ! ��!� � ��

Ejemplo

El diagrama de escalera siguiente muestra un lazo PID típico que se programa en elmodo STI. Este ejemplo se proporciona principalmente para mostrar las técnicas deescala correctas. Muestra una entrada analógica de 4 a 20 mA y una salidaanalógica de 4 a 20 mA. Se usan los parámetros siguientes se usan:

• Archivo de subrutina STI (S:31) = 3

• Punto de ajuste STI (S:30) = 10

• Bit de habilitación STI (S:2/1) = 1


9–16

SCLSCALESource I:1.0

0Rate [/10000] 12499

Offset –4096

Dest N10:280

LESLESS THANSource A I:1.0

0Source B 3277

GRTGREATER THANSource A I:1.0

0Source B 16384

MOVMOVESource 3277

Dest I:1.00

IIMIMMEDIATE IN w MASKSlot I:1.0Mask FFFF

(L)B3

0

��#$��%�

��#$��%

��#$��%

��#$��%�

��#$��%�

��&��&��#&��'��('��#�)�#&��#$��"��('��)��&�'"��*��+"��&��#&��#�� !�,��&��"��&�*��)��&��"&�)��$��-�'��&.��#��'""�&��/01�2�345,��1&��6��"#�)��&��*'��'��&��&�#'��#�*�&��*��"��#��"&��"�$��'��&�('��&"'��$,

��&��'��"��

MOVMOVESource 16384

Dest I:1.00

(L)B3

1

��&�� "��)&

1��'��('��)��"�#��#��4%�2��'��&��#��)��6#��*�&"��&��#��'""�$��345,��&��)�#&��"�#"'#��"&��#�"&�&"��&��('��#��&�� !��('��#��&�"&��"�#��7389��!�,

PIDPIDControl Block N10:0Process Variable N10:28Control Variable N10:29Control Block Length 23

��#$��"�'�#�+��#��#$��"��'��*��38,


9–17

IOMIMMEDIATE OUT w MASKSlot O:1.0Mask FFFF

END

��#$��%�

��#$��%�

SCLSCALESource N10:29

0Rate [/10000] 15239

Offset 6242

Dest O:1.00

1��)��6#��"&��&#�345��#��*��#��'""�$��"�#�,��1��'""�$��345��+��('��#�08�*��+"��&��#��&��!�,��)�#&��6��"�#��&��#��&�� !��#&�"'�#��*��#��&�'��"&�('��"��&�*��*�&�'"��#��:�#��#��#$��"�� ;,

��#$��"�'�#�+��#��<��#��#$��"��('��*'#��*&��#�)�#&��#�)��6#��"&��&#�345,

La rutina STI debe tener un intervalo de tiempo equivalente al establecimiento delparámetro de “actualización del lazo” PID.


9–18

Notas de aplicación

Los párrafos siguientes tratan:

• Los rangos de entrada/salida

• La escala a unidades de ingeniería

• La banda muerta de intersección con cero

• Las alarmas de salida

• El límite de salida con bloque de acción integral

• El modo manual

• La alimentación hacia adelante

• Las salidas de tiempo de proporcional

Rangos de entrada/salida

El módulo de entrada que mide la variable de proceso (PV) debe tener un rangobinario completo de escala de 0 a 16383. Si este valor es menor que 0 (bit 15establecido), un valor de cero se usará para PV y el bit de “variable de proceso fuerade rango” se establecerá (bit 12 de palabra 0 en el bloque de control). Si la variablede proceso es > 16383 (bit 14 establecido), un valor de 16383 se usará para PV y elbit de “variable de proceso fuera de rango” se establecerá.

La variable de control, calculada por la instrucción PID, tiene el mismo rango de 0 a16383. La salida de control (palabra 16 del bloque de control) tiene el rango de 0 a100%. Puede establecer límites inferiores y superiores para los valores de salidacalculados de la instrucción (donde un límite superior de 100% corresponde a unlímite de variable de control de 16383).

Escalado a unidades de ingeniería

La escala le permite introducir el punto de ajuste y los valores de banda muerta deintersección con cero en unidades de ingeniería y mostrar la variable de proceso yvalores de error en las mismas unidades de ingeniería. Recuerde que la variable deproceso PV todavía debe estar dentro del rango 0–16383. Sin embargo, el PV serámostrado en unidades de ingeniería.


9–19

Seleccione la escala según lo siguiente:

1. Introduzca los valores de escala máximos y mínimos Smax y Smin en el bloquede control PID. Refiérase al bloque de control de la instrucción PID en lapágina 9–11. El valor Smin corresponde a un valor analógico de cero para lalectura más baja de la variable de proceso, y Smax corresponde a un valoranalógico de 16383 para la lectura más alta. Estos valores reflejan los límitesde proceso. La escala del punto de ajuste es seleccionada introduciendo unvalor que no sea cero para uno o ambos parámetros. Si introduce el mismovalor para ambos parámetros, la escala del punto de ajuste se inhabilita.

Por ejemplo, si mide un rango de temperatura de escala completa de –73 (PV=0) a+1156° C (PV=16383), introduzca un valor de –73 para Smin y 1156 para Smax.Recuerde que las entradas en la instrucción PID deben ser 0 a 16383. Lasconversiones de señales podrían ser así:

1��*�&"��& ±��+��°�0/�#��&��7��'��&9 =��= ��;

/�#��'��$�'#&��#$��"& ��!�

4��'""�$��345��/��/�� ±�� +��°�0

2. Introduzca el punto de ajuste (palabra 2) y la banda muerta (palabra 9) en lasmismas unidades con escala. Lea también la variable de proceso con escala y elerror con escala en estas unidades. El porcentaje de salida de control (palabra16) se muestra como porcentaje del rango de 0 a 16383. El valor realtransferido a la salida CV siempre es entre 0 y 16383.

Cuando selecciona la escala, la instrucción escala el punto de ajuste, banda muerta,variable de proceso y error. Debe considerar el efecto de todas estas variablescuando cambia la escala.


Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Del Sobrecalentador De Un Generador De Vapor 188

ANEXO 4.

Configuración del Bloque de Control PID.


9–11

Configuración del bloque de control

La longitud del bloque de control se fija a 23 palabras y se debe programar comoarchivo de entero. Los indicadores de instrucción PID (palabra 0) y otrosparámetros se ubican de la manera siguiente:

EN DN PV SP LL UL DB DA TF SC RG OL CM AM TM

15 14 13 12 11 10 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00

PID Sub Error Code (MSbyte)

Setpoint SP

��

��

�

�

�

Gain KC

Reset Ti

Rate Td

�

�

�

�

*

*

*

*

*

�

�

�

��

��

��

Setpoint Max (Smax)

Setpoint Min (Smin)

Deadband

INTERNAL USE DO NOT CHANGE

Output Max

Output Min

*

*

*

*

*

��

��

��

��

Loop Update

Scaled Process Variable

Scaled Error SE

Output CV% (0–100%)

*

��

��

��

��

��

��

INTERNAL USEDO NOT CHANGE

��

OL, CM,AM, TM �

Feed Forward Bias*

MSW Integral Sum 5/03 MSW Integral Sum

LSW Integral Sum 5/03 LSW Integral Sum

��

��

No altere el estado de un valor de bloque de control PID a menos que entiendacompletamente la función y el efecto relacionado en su proceso.

instituto politÉcnico nacional - dspace...

Documents