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S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACI~N Y DESARROLLO TECNOLÓGICO

cenidet

“SISTEMA DE CONTROL SUPERVISORIO GENERALIZADO CONVENCIONAL E INTELIGENTE PARA CENTRALES DE GENERACI~N DE CICLO COMBINADO”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE :

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA

PRESENTA:

ING. MIGUEL ÁNGEL MARTÍNEZ MORALES

DIRECTOR DE TESIS: M.I. MARINO SÁNCHEZ PARRA

CO-DIRECTOR DE TESIS: M.C. JOSÉ LUIS GONZÁLEZ RUBIO S.

Cuernavaca, Morelos, México Diciembre de 2004

. . . cenidet Centro Nacional de Investigaciári . . .

y Desarrollo Tecnolbgico Sistema Nacional de Institutos Tecnológicos __

ANEXO No.11 M10

ACEPTACI~N DEL DOCUMENTO DE TESIS

Cuemavaca, Mor., a 16 de noviembre del 2004

C. Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez Jefe del departamento de Electrónica Presente.

At’n C . Dr. Gerardo V. Guerrero Ramírez Presidente de la Academia de Electrónica

i!

Nos es grato comunicarle, que conforme a ¡os lineamientos para la obtención del grado de Maestro en Ciencias de este Centro, y después de haber sometido a revisión académica la tesis titulada: “Sistema de Control Supervisorio Generalizada Convencional e Inteligente para Centrales de Generación de Ciclo Combinado”, realizzda por el C. Miguel Ángel Martinez Morales, y dirigida por el M.I. Marino Sánchez Parra y Go-director M.C. José Luis González Rubio Sandovai y habiendo realizado las correcciones que le fueron indicadas, acordamos ACEPTAR el documento final de tesis, así mismo le solicitamos tenga a bien extender el correspondiente oficio de autorización de impresión.

C.C.P. Subdirección Académica Departamento de Servicios Escolares

Estudiante , Directores de tesis

- 4 Pmpmma dslospn>gnmaadsM.si<~.sn denclaadal CENlDEl

Acad6mlCo. Reglamento y Pmcidlmlen<aa A ~ d ~ m l c O . A ~ m l n l E t ~ ~ ~ l ~ ~ ~

cenjdet Centro Nacional de lnvestigacibn I

Sistema Nacional de institutos Tecnol6gicos y Oesarrollo Tecnoldgico

ANEXO No. I2

AUTORIZACI~N DE IMPRESI~N DE TESIS M11

Cuemavaca, Mor., a 16 de noviembre del 20004

Ing. Miguel Ángel Martinez Morales Candidato al grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica Presente.

Después de haber atendido las indicaciones sugeridas por la Comisión Revisora de la Academia de Electrónica en relación a su trabajo de tesis cuyo titulo es: “Sistema de Control Supervisorio Generalizado Convencional e Inteligente para Centrales de Generación de Ciclo Combinado”, me es grato comunicarle que conforme a los lineamientos establecidos para la obtención del grado de Maestro en Ciencias en este centro se le concede la autorización para que proceda con la impresión de su tesis.

Atentamente

fl@.+.o I C. Dr. Enrique Quintkro-Mármol Márquez Jefe del Departamento de Electrónica

C.C.P. Subdirección Académica Presidente de la Academia de Electrónica Departamento de Servicios Escolares Expediente

5

DEDICATORIAS

A mis padres: Juana Morales Sotelo y Marcos Martínez Can

A mis hermanos: Julieta, Alfredo, Vicente Marcos y Margarita

A mis sobrinos: Job Israel, Joana, Vero, Diana, las gemelas, Hugo y Alex

A todos mis amigos, presentes y ausentes, algún día nos volveremos a encontrar. En especial a Javier Lagunas Mendoza por su apoyo en los momentos buenos y en los

difíciles.

A todo lo que Dios me ha permitido lograr en esta vida y que ha llegado a formar parte de mi.

AGRADECIMIENTOS

A Dios por permitirme seguir en el camino y darme la oportunidad de disfrutar momentos como este.

A mis padres Juana Morales Sotelo y Marcos Martínez Can por su amor, tolerancia y compresión.

A toda mi familia, porque son el estandarte para seguir luchando.

A mis asesores: el M.I. Marino Sánchez Parra (DE) y el M.C. José Luis González Rubio Sandoval (CENIDET) por el esfuerzo y dedicación empleados para que este trabajo llegara a buen término.

A mis revisores de tesis: la Dra. Patricia Caratozzolo Martelliti (CENIDET), el Dr. Carlos Astorga Zaragoza (CENIDET) y el M.C. Guadalupe Madrigal Espinoza (IIE) por su tiempo, disposición y comentarios emitidos a este trabajo.

Al Instituto de Investigaciones Eléctricas por permitirme realizar esta maestría.

Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico por los conocimientos impartidos.

Al grupo de maestría IIE- CENIDET que hicieron de esta aventura algo especial: Miguel, Arnulfo, Luis, Cristin, Neftalí, Victor, Javier y Agustín. Gracias por los momentos compartidos.

RESUMEN

El programa de obras de generación de CFE del año 2004 al año 2008 está caracterizado por el dominio del proceso de ciclo combinado para la expansión de generación de energía en México [CFE, 20001. De acuerdo con los datos presentados por esta fuente, el incremento estimado en la capacidad de generación de potencia eléctrica es de 12876 MW, de los cuales las centrales de ciclo combinado aportarán 10655 MW, lo que representa el 82.75%.

Bajo estas expectativas de expansión de generación de energía en México, en este trabajo de tesis se desarrolló un sistema de control supervisono generalizado (CSG) convencional (PLD) e inteligente (lógica difusa) para una central de generación de ciclo combinado, el cual permite lograr la operación óptima de la planta a través del arranque automático de las unidades generadoras y obtener la máxima cantidad posible de potencia eléctrica en forma automática y segura.

Para el desarrollo del CSG se implantó un lazo de control por temperatura para el sistema de turbina de gas (TG) y un lazo de control por presión estrangulada para la turbina de vapor (TV). El diseño de estos sistemas supervisonos se realizó en base a los límites críticos de las variables del proceso involucradas, que son la temperatura promedio de empaletado para la TG y la presión estrangulada para la TV.

La finalidad del control por temperatura es la de mantener la temperatura de los álabes de la turbina dentro de los limites establecidos por el fabricante del equipo conservando un desempeño satisfactorio desde el punto de vista de la eficiencia (generación de potencia eléctrica) y de la seguridad del proceso. Por lo que respecta al control por presión estrangulada, su función es calcular la apertura de la válvula de bypass principal que permita regular la presión de estrangulamiento adecuada para el buen funcionamiento de la TV sin pérdida de vapor.

El desarrollo e implantación del control supervisono generalizado se desarrolló en tres fases:

1" Fase: Actualización y cambio de plataforma de desarrollo (LabWindows/CVI) del modelo de la Central Generadora de Ciclo Combinado (CGCC) 2" Fase: Implantación del CSG convencional (PID) 3" Fase: Implantación del CSG inteligente (lógica difusa)

La evaluación del desempeño de estos sistemas supervisonos se realizó empleando un modelo matemático basado en ecuaciones diferenciales ordinarias y ecuaciones algebraicas no lineales que emula el comportamiento de una CGCC.

SUMMARY

The Mexican Electricity Utility CFE (Comisión Federal de Electricidad) growing program in Power Generation for the 2004 - 2008 period is based on Combined Cycle Power Plants (CCPP). In accordance with [CFE, 20001, the expected power generation capacity developed during such period will rise the by the amount of 12876 MW, 10655 MW belonging to CCPP (82.75 %).

With such important program for the increasing of Power Generation in Mexico, researches have to receive new technologies for CCPP, some of them not completely tested and immature, with the compromise to make then more efficient and reliable. Under such idea and looking to increase the automation level for CCPP with better control algorithms, the Supervisory Generalized .Control (SGC) for CCPP was developed in this thesis, based on PID strategies and intelligent (fuzzy) control strategies. With the SGC is possible to get the best performance for the whole CCPP through the automatic starting, synchronizing and loading of the generating units (two gas turbines and one steam turbine) with a minimum participation of operators.

To get the increased efficiency, the SGC generates the reference paths for both gas turbines (GT) first, and the steam turbine (ST). The SGC accelerates each unit with a minimum effort and vibrations getting the synchronizing speed in a minimum time and wasted energy. Then the SGC synchronize each unit taking minimum load quickly and loading up to the highest electric power value. All these can be done in an automated operation. The SGC employs two critical-process variable- control strategies, based on blade path temperature average (BPT Average) for Gas Turbines (GT) and the throttle steam pressure for the Steam Turbine (ST). The control algorithms designed take both units, the GT and the ST, picking.up load to the highest process value avoiding the alarms activation and shutdown. This is possible only with such an automated control strategy.

Test performed showed that with the SGC (conventional or intelligent) is possible to get more power generation than if we use the automatic methods based on feedback MW control. Consequently, the financial benefit due to the MW generated along a period of 2 months, is equivalent to return the investment required if the CCPP would had been repowered. Test also showed that with the fuzzy based SGC is possible to get a “little more” power generation than if we use the PID based SGC.

The development and implementation of the SGC was made in three phases: 1” Phase: Upgrading of the simulation dynamic mathematical model and implementation in a new software platform based on LabWindows/CVI. 2” Phase: Design, implementation and testing of the PID based SGC. 3” Phase: Design and implementation and testing of the Intelligent SGC, based in fuzzy logic.

Índice

Í N D I C E

LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................... iv LISTA DE TABLAS ............................................................................................................ vii NOMENCLATURA ............................................................................................................ viii INTRODUCCION .................................................................................................................. 1

1.1 Centrales Generadoras de Ciclo Combinado (CGCC) .................................................. 1 1.2 Descnpcion del proceso ................................................................................................ 1 1.3 Problematica tecnica ..................................................................................................... 4

1.5 Alcances ........................................................................................................................ 5 1.6 Organizacion del trabajo de tesis .................................................................................. 5

UNA CGCC ............................................................................................................................ 7 1.1 Turbina de gas (TG) ..................................................................................................... 7

1.1.1 Generalidades ........................................................................................................ 7 1.1.2 Descripción de los elementos integrantes de la TG ............................................... 7 1.1.3 Descnpcion del proceso ........................................................................................ 9

1.2 Turbina de vapor (TV) ................................................................................................ 10 1.2.1 Generalidades ...................................................................................................... 10 1.2.2 Descripción de los elementos integrantes de la TV ............................................. 10 1.2.3 Descripción del proceso ...................................................................................... 11

1.3 Recuperador de calor-generador de vapor (RCGV) ................................................... 12 1.3.1 Generalidades ...................................................................................................... 12 1.3.2 Descripción de los elementos integrantes del RCGV .......................................... 12 1.3.3 Descnpcion del proceso ...................................................................................... 14

1.4 Sistema de condensados (COND) .............................................................................. 15 1.4.1 Generalidades ...................................................................................................... 15

1.4.3 Descnpcion del proceso ...................................................................................... 17 IMPLANTACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO DE LA CGCC EN

2.1 Antecedentes ............................................................................................................... 19 2.2 Programación en la nueva plataforma de simulación ................................................. 20 2.3 Descripción de la plataforma LabWindowsíCVI ....................................................... 20

2.5 Evaluación del desempeño del modelo de la CGCC en plataforma de LabWindows/CVI@ ........................................................................................................... 22

2.5.1 Realización de pruebas de simulación, presentación de resultados y validación del modelo ............................................................................. ; ...................................... 23

b) Turbina de vapor (TV) ............................................................................................. 25 2.6 Especificación e implantación de los páneles de operación y monitoreo en LabWindowsíCVI ............................................................................................................. 28

2.6.1 Panel pnncipal ..................................................................................................... 29 2.6.2 Páneles de proceso-control .................................................................................. 29 2.6.3 Páneles de operacion ........................................................................................... 30

i

.. ...

..

. . . . . . 1.4 objetivo .......................................................................................................................... 4

. . . CAPÍTULO 1 DESCRIPCI~N FUNCIONAL DE LOS SISTEMAS QUE INTEGRAN

. . .

. . .

1.4.2 Elementos integrantes del sistema de condensados ............................................. 16

LA NUEVA PLATAFORMA DE SIMULACI~N ............................................................. 19

. . . CAPÍTULO 2

2.4 Implantación del modelo en la plataforma LabWindows/CVI ................................... 21

a) Turbina de gas (TG) .................................................................................... : ............ 23

. .

..

2.6.4 Páneles de controladores ..................................................................................... 32 2.6.5 Páneles de monitoreo de tendencias .................................................................... 32

CAPÍTULO 3 DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL SUPERVISORIO GENERALIZADO (CSG) ................................................................................................ 35 3.1 Descripción de la arquitectura del CSG ..................................................................... 35 3.2 Análisis, especificación e implantación del controlador de cargapor temperatura de empaletado para la TG ..................................................................................................... 41 3.3 Análisis, especificación e implantación del controlador de carga por presión estrangulada para la TV: .................................................................................................. 45

INTELIGENTE DEL CSG ................................................................................................... 51 4.1 Generalidades de la técnica de lógica difusa .............................................................. 51

4.1.1 htroduccion ......................................................................................................... 51 4.1.2 Resena histonca ................................................................................................... 52 4.1.3 Sistemas Difusos (SD) ......................................................................................... 53

4.2 Control lógico difuso (CLD) ...................................................................................... 54 4.3 Aplicación del controlador lógico difuso a la supervisión de la temperatura promedio de empaletado y la presión estrangulada ......................................................................... 55 4.4 Diseño de los controladores lógicos difusos (CLD) para el control por temperatura y presion estrangulada ......................................................................................................... 56

PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ................................................... 63 5.1 Selección de la técnica para la evaluación de desempeño .......................................... 63 5.2 Especificación de pruebas y evaluación de resultados del CSG en control convencional ..................................................................................................................... 64

CAPÍTULO 4 ESPECIFICACI~N Y DESARROLLO DEL CONTROLADOR

.. ~ . . .

.. CAPÍTULO 5

5.2.1 Prueba 1: Incremento de generación de potencia eléctrica en una TG ................ 64 5.2.1.1 Control convencional (PID) en control por potencia eléctrica (MW) .............. 65 5.2.1.2 Control convencional (PID) en control supervisono ........................................ 65

eléctrica (MW) y en control supervisono ..................................................................... 67

5.2.2.1 Control convencional (PID) en control por potencia eléctrica ......................... 68 5.2.2.2 Control convencional (PID) en control supervisono ........................................ 70

electnca y en control supervisono ................................................................................ 71

5.2.3.1 Control convencional (PiD) en control por potencia eléctrica ......................... 74 5.2.3.2 Control convencional (PID) en control supervisono ........................................ 75

eléctrica y en control por presión estrangulada ............................................................ 76

5.3.1 Prueba No . 1 : Control lógico difuso (CLD) por temperatura para la TG ............ 80 5.3.2 Prueba 2: Control lógico difuso (CLD) por presión estrangulada para TV ......... 85

CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS .................................................. 89 6.1 Conclusiones ............................................................................................................... 89 6.2 Aportacion .................................... ; ............................................................................. 90 6.3 Perspectivas ................................................................................................................ 91

REFERENCIAS ................................................................................................................... 92

5.2.1.3 Comparación de resultados control convencional (PID) en control por potencia

5.2.2 Prueba 2: Incremento de generación de potencia eléctrica en una TG y la TV .. 68

5.2.2.3 Comparación de resultados control convencional (PID) en control por potencia

5.2.3 Prueba 3: incremento de generación de potencia eléctrica en dos TG’s y la TV 74

. . . .

5.2.3.3 Comparación de resultados control convencional @ID) en control por potencia

5.3 Especificación de pruebas y evaluación de resultados de los controladores inteligentes del CSG ......................................................................................................... 80

CAPITULO 6

..

.. 11

ANEXO 1

ANEXO 3

PROTOCOLOS DE PRUEBA ...................................................................... 96

ARTÍCULO PUBLICADO EN EL CONGRESO LATINOAMERICANO ANEXO 2 DESCRIPCI~N DE LOS COMANDOS DE LOS PÁNELES DEL CSG .. 98

DE CONTROL AUTOMÁTICO (CLCA) ......................................................................... io4

... 111

Lista de figuras

LISTA DE FIGURAS

Figura Descripción

I. 1 1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2. 2.3 2.4

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

3.6 3 .? 3.8

3.9

3.10

3.11 3.12 3.13

3.14

4.1 4.2 4.3 4.4

Sistemas que integran una Central Generadora de Ciclo Combinado Sistema de la Turbina de Gas Sistema de la Turbina de Vapor Sistema del recuperador de calor-generador de vapor Sistema de condensados Principales módulos del programa de simulación de la CGCC Gráfica de generación de potencia eléctrica de la TG Gráfica de generación de potencia eléctrica de la TV Gráfica de generación de potencia eléctrica de la TV (acercamiento) Panel principal del programa de simulación de la CGCC Panel de proceso-control del sistema de turbina de vapor Panel de operación del sistema de turbina de gas 2 Panel de operación del control supervisorio generalizado Panel de controladores del sistema de turbina de vapor Panel de monitoreo de tendencias del sistema de turbina de gas 1 Arquitectura del control jerárquico de tres niveles Nivel de sensores y actuadores de la turbina de gas Nivel de sensores y actuadores de la turbina de vapor Nivel de control regulatono y protecciones de la turbina de gas Nivel de control regulatorio y de protecciones de la turbina de vapor Sistema de control supervisorio generalizado Diagrama de flujo del control por temperatura Curva de caracterización de la rapidez de cambio de potencia eléctrica para el control por temperatura Curva resultante de la caracterización para la rapidez de cambio de potencia eléctrica en control por temperatura Obtención de la diferencia de presión para el control por presión estrangulada Diagrama de flujo del control por presión estrangulada Curva de caracterización de la presión estrangulada Curva de caracterización de la rapidez de cambio de potencia eléctrica para el control por presión estrangulada Curva resultante de la caracterización para la rapidez de cambio de potencia eléctrica en control por presión estrangulada Configuración básica de un sistema difuso Estructura del controlador lógico difuso Configuración del controlador lógico difuso por temperatura configuración del controlador lógico difuso por presión estrangulada

Página

3 8 10 12 16 22 24 26 27

29 30 31 32 33 33 36 37 37 39 40

41 42 43

44

45

46 47 49

49

53 54 55 55

I

iv

Lista de figuras

Figura

4.5

4.6 4.7 4.8 4.9

4.10

4.11

5.1

5.2 5.3 5.4

5.5

5.6 5.7

5.8

5.9

5.10 5.11

5.12 5.13

5.14

5.15 5.16 5.17 5.18

5.19

5.20 5.21 5.22

A.2.1

Descripción

Estructura del controlador lógico difuso para el control de temperatura y presión estrangulada Variables lingüísticas para el límite de temperatura Variables lingüísticas para la temperatura promedio de empaletado Variables lingüísticas para la diferencia de presión estrangulada Variables lingüísticas para la presión caracterizada Variables lingüísticas para la rapidez de cambio de potencia eléctrica de TG Variables lingüísticas para la rapidez de cambio de potencia eléctrica de TV Respuesta del control convencional de TG1 en control por retroalimentación de potencia eléctrica Respuesta control por temperatura de TG Respuesta del control por temperatura para TG (acercamiento) Respuesta del control convencional de TV en control por potencia eléctrica Respuesta del control convencional de TV en control por potencia eléctrica (acercamiento) Respuesta del control convencional de TV en control supervisono Respuesta del control convencional de TV en control supervisono (acercamiento) Generación de potencia eléctrica cuando opera TGl y TV en control por potencia eléctrica Generación de potencia eléctrica cuando opera TG1 y TV en control supervisorio Índice iAE para el seguimiento de potencia eléctrica en TV Respuesta del control convencional de TV en control por potencia eléctrica Respuesta del control convencional de TV en control supervisono Generación de potencia eléctrica cuando operan dos TG's y la TV en control por potencia eléctrica Generación de potencia eléctrica cuando operan dos TG's y la TV en control supervisono Índice IAE para el seguimiento de potencia eléctrica en TV Rapidez de cambio de potencia eléctrica Temperatura promedio del empaletado (convencional vs. difuso) Índice IAE para el error de temperatura promedio del empaletado en la zona transitoria Índice IAE para el error de temperatura promedio del empaletado en la zona estable Rapidez de cambio de potencia eléctrica Presión estrangulada TV (convencional vs. difuso) Índice iAE para el error de presión de estrangulamiento Panel de operación de la TG2

Página

56

57 58 58 59 61

61

65

66 67 69

69

70 71

72

72

74 75

76 77

77

79 82 82 84

84

86 86 87 98

V

Lista de figuras

Figura Descripción Página

A.2.2 A.2.3

Panel de operación de la TV Pakl de operación del CSG

1 O0 102

vi

LISTA DE TABLAS

Tabla

3.1

3.2

3.3

4.1 4.2 4.3 5.1 5.2 5.3 5.4

5.5 5.6

5.7

5.8 5.9 5.10

Descripción

Valores para el cálculo de la rapidez de cambio de potencia eléctrica para el control por temperatura Valores para el cálculo de la presión caracterizada (BIAS) de acuerdo con el valor de la presión estrangulada Valores para el cálculo de la rapidez de cambio de potencia eléctrica para el control por presión estrangulada Base de reglas para el CLD de temperatura Base de reglas para el CLD de presión Características de los CLD de temperatura y presión estrangulada Matriz de operación para las pruebas funcionales Generación de potencia eléctrica para cada tipo de prueba Generación de potencia eléctrica para cada modo de control Índice IAE para el seguimiento de generación de potencia eléctrica de TV Generación de potencia eléctrica para cada modo de prueba Índice IAE para el seguimiento de generación de potencia eléctrica de TV Beneficio económico logrado cuando se opera en control supervisono Especificación de pruebas Índice IAE para el error de temperatura promedio del empaletado Índice IAE para el error de presión de estrangulamiento

Página

43

47

48

59 60 62 64 67 73 73

78 78

79

80 83 87

vii

Nomenclatura

NOMENCLATURA

Abreviatura Descripción

CFE Comisión federal de electricidad CGCC CLD Controlador lógico difuso COND Sistema de condensados CSG Control supervisorio generalizado GCI IIE Instituto de Investigaciones Eléctricas IGV Alabes móviles LM-TTGl "K Grados Kelvin KPa Kilo pascales KW Kilowatts M w Megawatts RAI-PE-CONVEN RaDidez de cambio de Dotencia eléctrica convencional RAF-PE-DIFUSO REF-WET1 REF-WET3

Centrales generadoras de ciclo combinado

Gerencia de Control e Instrumentación

Límite de temperatura de TG1

RCGV rpm PA-PVR

PA-WET1 PA-WET3 SD PC PI PID PSIG PVR SD SPP T-EMPTG1 TG TG1 TG2 TPL TV

Rapidez de cambio de potencia eléctrica difuso Referencia de la potencia eléctrica de TG1 Referencia de la potencia eléctrica de TV Recuperador de Calor-Generador de Vapor Revoluciones por minuto Punto de ajuste de la presión de estrangulamiento de la TV Punto de ajuste de la potencia eléctrica de TGl Punto de ajuste de la potencia eléctrica de TV Sistema difuso Computadora personal Controlador proporcional e integral Controlador proporcional, integral y derivativo Libras por pulgada cuadrada Presión de estrangulamiento de la TV Sistema difuso Sistema Programático de Pruebas Temperatura promedio de empaletado de TGl Turbina de gas Turbina de gas 1 Turbina de gas 2 Límite de presión estrangulada (por sus siglas en inglés) Turbina de vapor

... Vll l

Nomenclatura

Abreviatura Descripción

WET 1 Potencia eléctrica de TGl WET2 Potencia eléctrica de TG2 WET3 Potencia eléctrica de TV XCTl X P XZ1

Apertura de la válvula de control de TG1 Apertura de la válvula de bypass principal de TV Apertura de la válvula de control de admisión de vapor de TV

ix

1.1 Centrales Generadoras de Ciclo Combinado (CGCC)

Los ciclos combinados se han convertido en el modo dominante de la nueva generación eléctrica en el mundo. Lo anterior es atribuible a las ventajas que presentan sobre las centrales térmicas convencionales, que son principalmente: menores costos de inversión ($600/KW vs. $lOOOKW), menor tiempo de construcción (2 años vs. 4 años), menores niveles de emisiones contaminantes, costos de operación competitivos y mayor eficiencia térmica’ (60% vs. 40%).

Estas unidades son requeridas frecuentemente por ser muy flexibles en su forma de operar, ya que arrancando una turbina de gas y sincronizándola a la red eléctrica, es posible en pocos minutos iniciar la producción de electricidad, sumándole en el corto plazo la producción a cargo de una turbina de vapor. Las unidades pueden llevarse rápidamente a niveles de carga intermedia, carga base o carga pico, y de ser necesario iniciar la reducción de la producción a valores intermedios e incluso lograr en forma segura el paro parcial o paro total de la central. La eficiencia global típica de las CGCC es mayor de 50%. En la figura I. 1 se muestra el diagrama esquemático de una CGCC típica en arreglo 2x1, es decir, formado por dos turbinas de gas, dos recuperadores de calor-generadores de vapor y una turbina de vapor, en el que se puede apreciar que la turbina de gas acciona a un generador eléctrico y un compresor, entregando los gases de escape a un recuperador de calor- generador de vapor que produce vapor sobrecalentado el cual se utiliza para accionar una turbina de vapor con otro generador eléctrico.

1.2 Descripción del proceso

La Central de Ciclo Combinado recibe este nombre debido a que transforma la energía calonfica de los gases de la combustión a energía eléctrica mediante el empleo de dos ciclos termodinámicos: el Brayton y el Rankine [Perry, 19811, conjugándose ambos ciclos para obtener mayor eficiencia en el proceso de transformación de energía. Para el caso considerado, el proceso consiste en generar energía por medio de dos turbina de gas y una turbina de vapor. Las dos turbinas de gas son idénticas, por lo que solamente se describirá el proceso para una de ellas. La energía calonfica del combustible (gas natural o líquido) se convierte a energía térmica mediante la oxidación que se realiza en la cámara de combustión, esto es una reacción química entre el oxígeno del aire que inyecta el compresor y el combustible; los gases producto de esta combustión pasan a la turbina, haciendo girar a la flecha de ésta que se encuentra acoplada al compresor y al generador para llevarla a la velocidad de sincronismo (3600 rpm) y producir energía eléctrica.

El gas que sale de la turbina de gas conserva un alto contenido de energía calorifica que ya no se puede aprovechar en la turbina; con el fin de que ésta no se pierda, el gas se hace

Eficiencia térmica: Porcentaje real de la energía calonfica aprovechada por el proceso I

1

introducción

pasar por un sistema de recuperación de energía en donde el agua toma el calor del gas y se convierte en vapor para finalmente impulsar otra turbina, en este caso de vapor,

El agua y el vapor forman un ciclo cerrado al cual únicamente se agrega agua (llamada agua de repuesto) para compensar las fugas, purgas y venteos que se presentan en el proceso. Para describir este proceso iniciaremos en el condensador. El líquido que sale del condensador se denomina "condensado" y se envía al deareador para retirar los gases incondensables con la ayuda de un suministro de vapor conocido como vapor de presurización, este equipo cuenta con una línea de venteo para disminuir la presión acumulada.

En el recuperador de calor-generador de vapor se realiza la transferencia de calor de los gases ai agua. Este equipo consiste de cuatro etapas de calentamiento separadas fisicamente e integradas en la misma carcaza (ver figura 1.1): el evaporador de baja presión (8), el economizador (7), el evaporador de alta presión (6 ) y el sobrecalentador ( 5 ) . La zona de menor temperatura se localiza en la parte superior del recuperador de calor-generador de vapor, aquí el agua procedente del deareador se precalienta para retomar al mismo y seguir hacia el tanque de oscilación; a partir de este punto se le conoce como agua de alimentación que pasa al economizador del recuperador (7), en donde es transformada en vapor y enviado al domo de alta presión. A partir de este punto, para seguir transformando el líquido a vapor se envía ai evaporador de alta presión y de ahí pasa nuevamente al domo con mayor contenido de vapor.

El vapor saturado sale por la parte superior del domo dirigiéndose al sobrecalentador, que es la zona de mayor temperatura, ya que es aquí donde llegan los gases de escape de la turbina de gas directamente. Además existe otra sección de combustión llamada quemadores suplementarios [Sánchez y Martinez, 20041, que se usan para incrementar la temperatura del vapor sobrecalentado y para obtener mayor producción de vapor para la turbina de vapor que a su vez incrementa la generación de potencia eléctrica. Es decir, que los quemadores suplementarios incrementan la eficiencia de la CGCC.

Con el fin de controlar la generación a cargo de la turbina de vapor se encuentra una línea de vapor sobrecalentado que no pasa por ésta, y va directamente al condensador por medio del elemento final conocido como válvula de bypass principal (14). Esta válvula incrementa la seguridad y flexibilidad de la operación ya que: (a) ante una salida de operación inesperada (disparo de la turbina de vapor), ésta canaliza de inmediato todo el vapor producido directamente al condensador, y (b) cuando la turbina de vapor se encuentra fuera de servicio, la central puede operar con las turbinas de gas en ciclo abierto debiéndose restringir la cantidad de energía generada, labor que realiza el control.

De otra forma el vapor que deja la turbina de vapor pasa al condensador (15) y así completa su ciclo. Con el fin de que el vapor de escape de la turbina de vapor pase a la fase de líquido, se hace pasar agua fria (conocida como agua de circulación) procedente de una torre de enfriamiento hacia el condensador, siendo el nivel y el vacío en el condensador las variables más importantes en este sistema [Sánchez, et al., 19941.

2

UOTOR

TURBINA DE GAS @ C O M P R E S O R

@ T U R B I N A D E GAS

@ CAMARA D E COMBUSTlbN @ GENERADOR

ENTRADA D E AIRE

MOTOR

Figura 1.1 Sistemas que integran una Central Generadora de Ciclo Combinado [Sánchez y Rudecino, 19971

W i

introducción

1.3 Problemática técnica

Vistas como unidades independientes, la turbina de gas es poco eficiente, al igual que la eficiencia particular del conjunto RCGV-TV la cual es menos eficiente que un generador de vapor convencional. Lo que es más eficiente a la CGCC es la combinación de estos dos procesos (TG y RCGV-TV). De esta forma, las centrales de generación de ciclo combinado representan en sí una forma más rentable de generación de potencia eléctrica.

Sin embargo, el control convencional no ha logrado mejorar la eficiencia de la CGCC, vista ésta desde la perspectiva de generación de potencia eléctrica, ya que no utiliza las condiciones de las variables de temperatura, en el caso de la turbina de gas, y la presión en el caso de la turbina de vapor, para generar la máxima cantidad de potencia eléctrica permitida por las condiciones del proceso. Por lo tanto, se hace necesario implantar estrategias de control que nos permitan trabajar en los límites de temperatura y presión de una manera segura, sin activación de alarmas con el fin de conseguir la mayor generación de potencia eléctrica y todo de una manera automática, es decir, sin requerir de la intervención de numeroso personal de operación.

1.4 Objetivo

El objetivo de este trabajo es el desarrollo y evaluación de un sistema de control supervisorio basado en técnicas convencional que integran controladores del tipo PID y técnicas de control inteligente con base en la lógica difusa, que a partir de una solicitud o demanda de carga total de la planta (establecida por un operador), genere en forma automática los puntos de ajuste de los controladores (referencias dinámicas) a fin de lograr la máxima generación disponible.

El desarrollo e implantación del control supervisono para lograr el objetivo planteado en este trabajo de tesis se desarrolló en tres fases:

la Fase: Modelo de la Central Generadora de Ciclo Combinado (CGCC)

Se implantó el modelo de una CGCC en una plataforma de presentación gráfica de uso industrial. Bajo esta nueva plataforma de desarrollo fue posible realizar pruebas integrales de los sistemas que integran una CGCC, lo cual no era posible realizar en el modelo original desarrollado en el IiE en lenguaje de programación C++ [Rudecino, 19971. Esta actividad representó la revisión de la correcta operación funcional de todos los sistemas que integran la CGCC.

2" Fase: Control supervisorio con controlador convencional PID

Se diseñó el sistema de control supervisono generalizado y se implantaron las estrategias para incrementar la generación de potencia eléctrica mediante el control de las variables de proceso de temperatura de empaletado y presión estrangulada en limite critico:

Control de potencia eléctrica por temperatura de empaletado para las TG's Control de potencia eléctrica por presión estrangulada para la TV

4

3” Fase: Control inteligente

Se diseñaron los controladores inteligentes para el control de temperatura (TG) y presión estrangulada (TV) basados en técnicas de lógica difusa y se implantó la sustitución de las estrategias convencionales de control por estos controladores inteligentes para evaluar su desempeño.

1.5 Alcances

Este trabajo considera:

1) La implantación del modelo de una central generadora de ciclo combinado (CGCC) en plataforma de LabWindows/CVI@ de National Instruments, con interfaces virtuales. Las pruebas consideradas del sistema van desde el arranque y aceleración de unidades hasta la sincronización, toma de carga y generación de la máxima potencia eléctrica lograda a través del control de las variables de proceso (temperatura de empaletado y presión estrangulada) en límite critico. Estas pruebas fueron realizadas para módulos individuales (TG’s), hasta pruebas integrales de todos los módulos de control (TG1, TG2 y TV).

2) El desarrollo e integración de las estrategias de control por alta temperatura de empaletado en las turbinas de gas y por baja presión estrangulada en la turbina de vapor y la evaluación del desempeño tanto con control convencional (PID) como con control inteligente (lógica difusa) como parte concluyente de este trabajo.

3) El análisis y comparación de resultados para los siguientes casos:

a) Control por retroalimentación de potencia eléctrica versus control supervisono convencional.

b) Control supervisorio convencional versus control supervisono inteligente.

1.6 Organización del trabajo de tesis

Este trabajo está organizado bajo los siguientes capítulos:

Capítulo 1. Descripción funcional de los sistemas que integran una CGCC. En este capítulo se presenta la descripción funcional de los sistemas que integran una central de generación de ciclo combinado (turbina de gas, turbina de vapor, recuperador de calor- generador de vapor y sistema de condensados), considerando los elementos que los integran y la descripción de cada proceso.

Capítulo 2. Implantación y validación del modelo de la CGCC en la nueva plataforma de simulación. En este capítulo se menciona como antecedente a la implantación del modelo de la CGCC en la plataforma LabWindowsKVI al modelo denominado “Sistema Programático de Pruebas”, desarrollado en lenguaje de programación C++. Se describen las características de la plataforma LabWindows/CVI, y se presenta la metodología para la evaluación del desempeño del modelo bajo esta nueva plataforma de simulación teniendo como punto de comparación los resultados obtenidos en la plataforma C++. Por Último, se

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Introducción

presenta la especificación e implantación de los páneles de operación y monitoreo en LabWindowsiCVI para la realización de las pruebas de los sistemas de la CGCC.

Capítulo 3. Desarrollo del sistema de control supervisorio generalizado (CSG). En este capítulo se describe la arquitectura del control jerárquico de tres niveles y la interacción de las variables de proceso generadas en cada uno de ellos. Se especifican los requerimientos de control para la implantación del CSG, su arquitectura, el análisis, especificación e implantación del controlador de carga por temperatura para la TG, así como el análisis, especificación e implantación del controlador de carga por presibn estrangulada para la TV.

Capítulo 4. Especificación y desarrollo del controlador inteligente del CSG. En este capítulo se presentan las generalidades, configuración y arquitectura de los controladores lógicos difuso, así como su aplicación para la implantación y diseño de los controladores de temperatura y presión estrangulada.

Capítulo 5. Presentación de resultados. En este capítulo se describen las pruebas funcionales realizadas a los sistemas que integran la CGCC. En primer lugar, se presenta la especificación de las pruebas correspondientes al control convencional y la evaluación de los resultados obtenidos en control por retroalimentación de potencia eléctrica versus control por control supervisono. En segundo lugar, se presenta la especificación de las pruebas y la evaluación de los resultados del control supervisorio versus el control inteligente.

Capítulo 6. Conclusiones y perspectivas. Se presentan los comentarios correspondientes a los resultados finales obtenidos de la comparación del desempeño del control supervisono convencional y el control supervisorio inteligente. Se concluye qué tanto se mejora la aplicación utilizando la técnica basada en lógica difusa, si es justificable o, en su caso, si se obtienen los mismos resultados que con la técnica convencional. Como perspectivas de este trabajo se mencionan nuevos esquemas que pueden ser aplicados al mismo.

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CAPITULO 1 DESCRIPCI~N FUNCIONAL DE LOS SISTEMAS QUE INTEGRAN UNA CGCC

En este capítulo se presenta la descripción funcional de los sistemas que integran una central de generación de ciclo combinado (turbina de gas, turbina de vapor, recuperador de calor-generador de vapor y sistema de condensados), considerando los elementos que los integran y la descripción de cada proceso.

1.1 Turbina de gas (TG)

1.1.1 Generalidades

El sistema de la TG es de mucha importancia, ya que el rendimiento del ciclo combinado dependerá de las temperaturas de los gases de escape que la TG proporcione. Estos gases en lugar de ser enviados a la atmósfera son aprovechados en la generación de vapor proporcionando un rendimiento económico mayor. El sistema de control de la turbina de gas tiene por objetivo generar la mayor cantidad de potencia eléctrica mediante la correcta administración del aire de entrada al compresor y del combustible que alimenta a la cámara de combustión, así como proporcionar los gases de escape necesarios en la producción de vapor. El sistema de la turbina de gas está integrado por una turbina de gas, un compresor, la cámara de combustión, un motor de arranque, álabes guía y su actuador, el generador eléctrico y la válvula de combustible de la cámara de combustión [Sánchez y Rudecino, 19971. En la figura 1.1 se presenta el sistema de turbina de gas.

1.1.2 Descripción de los elementos integrantes de la TG

La descripción de los elementos que integran el sistema de turbina de gas es la siguiente:

1) Turbina de Gas

Este dispositivo se acciona por la expansión de los gases calientes provenientes directamente de la cámara de combustión. Esta energía calonfica se convierte en energía mecánica al hacer girar el rotor de la TG. El giro provocado en el eje de la máquina es aprovechado por un generador eléctrico para producir potencia eléctrica y suministrar gases de escape al recuperador de calor.

2) Compresor

A través de este dispositivo fluye el aire en dirección axial a través de una sene de etapas rotatorias (paletas) y estacionarias (diafiagmas). La sección transversal del compresor disminuye en área en la dirección del flujo, lo que provoca que a medida que el aire pasa por las diferentes etapas de compresión, su temperatura y presión aumentan descargándose finalmente en la cámara de combustión.

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Capítulo 1 Descripción funcional de los sistemas que internan una CGCC

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Figura 1.1 Sistema de la Turbina de Gas

3) Cámara de combustión

Aquí se lleva a cabo la combustión producida por el flujo de aire proveniente del compresor y el combustible proporcionado a través de la válvula de combustible. El aire pasa a través de unos orificios y mediante unas bujías se enciende la mezcla de aire-combustible y así se produce la energía necesaria (flujo de gases) para activar a la TG.

4) Álabes guía y su actuador

Los álabes guía (IGV por sus siglas en inglés) son directrices móviles encargados de regular el flujo de aire al compresor durante toda la operación de la TG1, este flujo es necesario para que se lleve a cabo la combustión, que es indispensable en la generación del flujo de gases utilizado por la TG para realizar el trabajo mecánico.

5) Motor de arranque

Este dispositivo se utiliza para arrancar a la unidad haciéndola girar desde una velocidad mínima (llamada velocidad de tornaflecha) hasta aproximadamente 900 rpm, momento en el cual se genera la ignición y la válvula de combustible comienza a abrirse, iniciándose la combustión. El motor se encuentra en servicio hasta una velocidad de 2300 rpm y a partir de este momento, la aceleración dependerá de la válvula de combustible y del proceso de combustión.

6) Válvula de combustible a la cámara de combustión

La válvula de combustible a la cámara de combustión es la encargada de regular el flujo de combustible (gas o diesel) suministrado a la cámara de combustión generando así el flujo de gas necesario para acelerar, sincronizar y generar carga en la turbina de gas. El mal

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Capítulo 1 Descripción funcional de los sistemas que inteeran una CGCC

funcionamiento de esta válvula impide el correcto desempeño de la TG ai no tener una adecuada combustión.

1.1.3 Descripción del proceso

Se tiene una entrada en la turbina de gas la cual permite que el aire atmosférico entre al compresor regulando el flujo de aire mediante los álabes guías que se encuentran localizados antes de la primera etapa del compresor. Este aire es comprimido y descargado en la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible para después quemar dicha mezcla. Los gases calientes resultantes alcanzan una temperatura y presión lo que impulsa a la turbina de gas haciéndola girar conforme éstos se expanden. El movimiento es transmitido a un generador eléctrico el cual tiene como objetivo generar energía eléctrica. Los gases calientes de desecho (gases de escape) son dirigidos al recuperador de calor para ser aprovechados en la generación de vapor y así completar el ciclo [Parra, 19961.

Para arrancar la TG es necesario utilizar un motor de arranque que le proporcione la aceleración requerida. Al alcanzar las 900 rpm con la ayuda del motor de arranque, se produce la ignición y el inicio de la combustión. Cuando la TG ha alcanzado una velocidad de 2300 rpm el motor de arranque se pone fuera de servicio quedando la aceleración de la TG a cargo únicamente del control de velocidad mediante el proceso de regulación de la combustión. Una vez alcanzada las 3600 rpm (velocidad de sincronismo) se cierra el interruptor principal para hacer la transición del control de velocidad al control de potencia eléctrica. Al activar éste último, la señal de control es generada a partir de la diferencia entre la referencia de potencia eléctrica y el valor medido de la misma. Ambos algoritmos de control utilizan un controlador proporcional integral (PI) para obtener la señal de control que regulará la apertura de la válvula de combustible.

La posición de los álabes guía se determina en función del módulo de control en que esté operando (velocidad o potencia eléctrica), además de utilizarse una curva de caracterización que permite regular su apertura en un rango de 30 a 100%. Es muy importante mantener la apertura adecuada en los álabes pues el flujo de aire afecta directamente a la combustión de los gases. Si la temperatura del empaletado se incrementa por encima del límite establecido se activa una protección por límite de temperatura alta en el empaletado que independientemente de la etapa en que se encuentre el proceso (arranque o generación de potencia eléctrica), ordenará el retroceso ocasionando que la válvula de combustible cierre hasta que la condición de retroceso se quite.

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Capítulo 1 Descripción funcional de los sistemas que integran una CGCC

1.2 Turbina de vapor (TV)

1.2.1 Generalidades

El sistema de control de la turbina de vapor es una componente esencial del ciclo combinado y su objetivo es generar la mayor cantidad de potencia eléctrica mediante la mayor producción posible de vapor apoyándose en los gases de escape de las turbinas de gas y los quemadores suplementarios, lo que representa un ahorro económico al no enviar estos gases a la atmósfera. El sistema de la turbina de vapor está integrado principalmente por una turbina de vapor, un generador eléctrico, las válvulas encargadas de controlar la admisión de vapor hacia la turbina y la válvula que regula el flujo de vapor hacia el condensador (presión de estrangulamiento), como se muestra en la figura 1.2. Es muy importante que se cumpla con el valor requerido de presión de estrangulamiento, pues de lo contrario el sistema no podrá ser activado.

LINEA DE EXTRACCIÓN HACIA EL DEAREADOR

VALVULA DE CONTROL SUPERIOR

VALVULA OE CONTROL INFERIOR

DE CORTE

VAPOR SOBRECALENTADO PROVENIENTE DE LOS

RECUPERADORES

CONDENSADOR PRlNCIPAL

DE CORTE BYPASS

Figura 1.2 Sistema de la Turbina de Vapor

1.2.2 Descripción de los elementos integrantes de la TV

Los elementos que integran el sistema de turbina de vapor son los siguientes:

1) Turbina de Vapor

Es el elemento en donde se utiliza el vapor producido en el recuperador de calor, realizando el trabajo necesario para producir el movimiento giratorio en el rotor de la turbina y transmitirlo finalmente ai generador eléctrico. La turbina de vapor (TV) realiza dos funciones: producir energía eléctrica a través del generador eléctrico y proporcionar vapor

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Capítulo 1 Descriución funcional de los sistemas aue inteaan una CGCC

de extracción que es utilizado por el deareador. Además, el vapor de salida de la turbina (vapor agotado) se envía al sistema de condensados para ser reutilizado [Castelo, 19931.

nerador Eléctrico

el elemento encargado de convertir la energía mecánica de rotación de la turbina de or en energía eléctrica, la cual alimenta a los transformadores de potencial que elevan el

ltaje de 13 800 Volts a 230 O00 Volts para después conectarla al sistema de distribución ca [Solís, 19901.

3) Válvula de control de admisión de vapor

Existen dos válvulas de control, también llamadas válvulas de estrangulamiento, encargadas de regular el flujo de vapor que requiere la TV y se localizan simétricas a la turbina. Estas válvulas tienen un papel muy importante ya que con ellas se regula primero la velocidad de la TV y después la generación de potencia eléctrica en la misma. Además, el mal funcionamiento de éstas ocasionaría que la turbina de vapor se pusiera fuera de servicio.

4) Válvula de bypass principal

Con esta válvula, el vapor se envía directamente al condensador. Su función es regular la presión de estrangulamiento en función del flujo de vapor durante el arranque y la generación de potencia eléctrica. La falla de esta válvula ocasiona que el sistema de control de TV no pueda ser activado ya que la condición principal para que la turbina de vapor entre en funcionamiento es que exista una presión de estrangulamiento superior al límite preestablecido. Esta válvula está físicamente dimensionada para conducir la capacidad total de flujo de vapor desde los recuperadores a la turbina y directamente al condensador siempre que sea necesario [Sánchez, 19971.


Es importante mencionar que para entrar en funcionamiento el sistema de control de la turbina de vapor es necesario que al menos una turbina de gas esté en un valor próximo a la carga base para proporcionar la temperatura de gases de escape necesaria en la producción de vapor, así como incrementar la presión en el domo que permitirá satisfacer el valor de presión estrangulada requerido por la TV [Esquive], 19901.

El vapor sobrecalentado que se obtiene de los recuperadores se suministra a la turbina de vapor. Este vapor tiene dos trayectorias, la primera se dirige a la turbina de vapor pasando a través de las válvulas de control de admisión de vapor para ser utilizado primero en el rodado de la turbina y posteriormente para la generación de potencia eléctrica. La segunda trayectoria se dirige hacia la válvula bypass principal la cual se encuentra con una apertura mayor en el momento del rodado y se va cerrando conforme la turbina de vapor requiere mayor presión, es decir, cuando comienza la generación de potencia eléctrica ya que durante el arranque se tiene un desperdicio de energía pues gran parte del vapor se envía al sistema de condensados a través de la válvula bypass principal. Es importante tener el valor

CaDítulo 1 Descripción funcional de los sistemas que integran una CGCC

de presión mínimo, de lo contrario no se puede iniciar el rodado automático de la turbina de vapor. Existe además una línea de extracción de vapor que va desde la turbina al deareador para proporcionar a este Último vapor de extracción utilizado para mantener la presión en el deareador [Castelo, 19931.

1.3 Recuperador de calor-generador de vapor (RCGV)

1.3.1 Generalidades

El sistema del recuperador de calor-generador de vapor (RCGV) (Fig. 3) es uno de los más importantes en la generación de energía eléctrica de una central termoeléctrica. Su función es satisfacer la demanda de vapor requerida por la turbina de vapor en diferentes estados que van desde el rodado de la turbina y la sincronización hasta la generación de potencia eléctrica. En una central de ciclo combinado, el RCGV está integrado por el recuperador de calor, el domo de alta presión, el deareador-tanque de oscilación y los quemadores suplementarios.

Este sistema constituye el enlace crítico entre la turbina de gas y la turbina de vapor [Madrigal, 19961.

Figura 1.3 Sistema del recuperador de calor-generador de vapor

1.3.2 Descripción de los elementos integrantes del RCGV

Los elementos que integran el sistema del recuperador de calor-generador de vapor son los siguientes:

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Capítulo 1 Descripción funcional de los sistemas aue integran una CGCC

1) Recuperador de calor

La función del recuperador de calor es transferir la energía térmica de los gases de escape de la turbina de gas y de los gases generados por la combustión en los quemadores suplementarios, al agua proveniente del domo y del deareador que circula a través de los intercambiadores de calor. El recuperador cuenta con cuatro intercambiadores de calor: el evaporador de baja presión, el economizador, el evaporador de alta presión y el sobrecalentador. Debido a que estos absorben la energia térmica de los gases, se logra que los gases que salen del recuperador de calor tengan una temperatura mínima al enviarse a la atmósfera [Madrigal, 19961.

a) Evaporador de baja presión. A través de éste, el agua almacenada en el tanque de oscilación del deareador es reciclada con dos finalidades, primero para incrementar la temperatura del condensado, eliminando de esta forma los gases incondensables contenidos en el agua y segundo contribuir a la presión requerida en el deareador para la carga neta de succión de la bomba de agua de alimentación.

b) Economizador. Su función es incrementar la temperatura del condensado proveniente del tanque de oscilación que circula a través de él, de arriba hacia abajo para una mejor transferencia de calor, alcanzando una temperatura cercana al punto de saturación @unto de ebullición), para que al ser bombeada al domo de alta presión el cambio de estado del agua, de líquido a vapor, se realice más eficientemente. El suministro de agua al domo es regulado por la válvula de agua de alimentación y el excedente es devuelto al deareador a través de la válvula de recirculación por dos razones, la primera es mantener un flujo constante de agua en la sección del economizador y la segunda para contribuir a la función realizada por el evaporador de baja presión.

c) Evaporador de alta presión. El propósito de éste es transformar el líquido saturado, extraído de la parte inferior del domo mediante la bomba de recirculación de alta presión, a vapor saturado y regresarlo nuevamente al domo. Sin embargo no todo el líquido se evapora, la parte de agua que se evaporó fluye por la parte superior del domo y el agua que no se evaporó retorna al domo a formar parte del almacenamiento de líquido manteniéndose un nivel constante, donde el líquido es reciclado nuevamente.

d) Sobrecalentador. Aquí el vapor saturado que sale del domo fluye a través de éste con la finalidad de convertirse en vapor sobrecalentado teniendo las Características requeridas para no causar daño alguno a la turbina de vapor, es decir, no debe presentar residuos de humedad y debe tener la temperatura y presión requeridas.

2 ) Domo de alta presión

Es un elemento importante ya que en él se presenta la dinámica más rápida del proceso de generación de vapor por contener agua en dos estados (líquida y vapor), es decir, en él se realiza la transformación de líquido a vapor y la separación de ambos. A este vapor se le conoce como vapor saturado, y es el que pasa al sobrecalentador para incrementar su temperatura aún más y finalmente ser utilizado por la TV. La temperatura de saturación del agua está determinada por la presión de vapor en el domo, es decir, a mayor presión le corresponde mayor temperatura de saturación. Esta

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Capítulo 1 DescriDciÓn funcional de los sistemas clue integran una CGCC

temperatura tiene su origen en la transferencia de calor que los gases calientes ceden al agua que circula por el evaporador de alta presión.

3) Deareador y tanque de oscilación

La función principal del deareador es eliminar los gases incondensables del agua que se le inyecta (tales como oxígeno y bióxido de carbono). El remover estos gases evita la corrosión de los equipos del RCGV. Para llevar a cabo esta función se debe mantener cierta presión en el mismo para ello se utiliza la energía del:

a) Vapor generado en el evaporador de baja presión b) Vapor de extracción proveniente de la turbina de vapor c) Flujo de recirculación del economizador d) Vapor saturado del domo de alta presión

Además se le proporciona al condensado cierto grado de calentamiento [CFE, 19841.

El nivel del tanque de oscilaciones debe mantenerse en su punto de ajuste para proveer un flujo al economizador y una carga de succión constante a las bombas.

4) Quemadores suplementarios

Se encuentran localizados en el conducto que comunica a la TG con el recuperador de calor de tal forma que los gases de escape de la TG pasan por los quemadores en su recomdo al recuperador de calor. Su función consiste en elevar la temperatura de los gases de escape de la turbina de gas para una mejor transferencia de calor en el sobrecalentador, alterando la producción de vapor sobrecalentado y regulando consecuentemente la producción de potencia eléctrica. Los quemadores suplementarios son encendidos sólo cuando la energía térmica de los gases de escape no genera el vapor necesario para satisfacer la demanda de la turbina de vapor, por lo que se provee calor adicional con los quemadores.


En el recuperador de calor se inicia la transferencia de energía térmica para llevar a cabo el proceso de generación de vapor. El calor que se proporciona a los intercambiadores de calor que constituyen al recuperador proviene de los gases de escape de TG y de los gases de la combustión de los quemadores suplementarios, siendo el sobrecalentador el más expuesto a los gases con mayor temperatura.

Al agua suministrada al deareador proveniente del sistema de condensados, se le incrementa la temperatura y se le remueven los gases incondensables que pueda contener. Después pasa al tanque de oscilación donde se almacena manteniéndose un nivel constante. Esta agua se envía hacia dos direcciones por medio de bombas; la primera se dirige hacia el evaporador de baja presión donde se genera una mezcla de agua-vapor y es devuelta al deareador nuevamente, la cual se utiliza para calentar el condensado almacenado en éste como ya se había mencionado antes. La segunda se envía al economizador con ayuda de la

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Cauítulo 1 Descriución funcional de los sistemas que inteaan una CGCC

bomba de agua de alimentación, al pasar por el economizador se incrementa su temperatura cercana al punto de saturación, este líquido se suministra, a través de la válvula de agua de alimentación, al domo de alta presión de manera que se tenga un nivel constante de acuerdo al punto de ajuste requerido, el exceso se recircula al deareador a través de la válvula de recirculación el cual ayuda a mantener constante tanto el nivel en el deareador como la carga de succión de las bombas correspondientes.

Una vez en el domo de alta presión, el líquido saturado es extraído por la parte inferior del domo y reciclado mediante la bomba de recirculación de alta presión pasando por el evaporador de alta presión donde parte del líquido se evapora y al llegar nuevamente al domo se separa el vapor y sale por la parte superior del mismo, éste es el vapor saturado el cual toma dos trayectorias, la principal es dirigirse al sobrecalentador para eliminar cualquier rastro de humedad y convertirse en vapor sobrecalentado con las caractensticas de presión y temperatura requeridas por la turbina de vapor para la generación de energía eléctrica. La segunda trayectoria va hacia el deareador pasando a través de la válvula reguladora de presión, este vapor saturado se utiliza para mantener la presión del deareador en caso de que existan fluctuaciones fuertes de presión y en la rapidez de cambio de presión que no pueden ser controladas por medio de la válvula de recirculación la cual se encarga también de controlar la presión cuando se está en estado estable.

Como se puede observar existe una interacción entre cada uno de los elementos y la acción impropia de cualquiera de ellos provocarian serios trastornos en el sistema y sistemas adyacentes, ésta es la razón por la cual se considera como un enlace critico al sistema de RCGV [López, 19931.

1.4 Sistema de condensados (COND)

1.4.1 Generalidades

El sistema de condensados (Fig. 1.4) es la parte del proceso cuya función es recuperar y reciclar el agua transformada en vapor, para utilizarla nuevamente en el proceso de generación de vapor. Esto se logra al condensar' el vapor de escape de la turbina, a su vez se proporciona al condensado* cierto grado de calentamiento y se elimina el aire que pudiera contener. Por último, se almacena condensado para reponer las pérdidas que existan y con ello aumentar la eficiencia del ciclo de vapor.

El sistema de condensados tiene su inicio en el pozo caliente del condensador y está integrado por: las bombas de condensado, un equipo del condensador de vapor usado para sellos de la turbina, los eyectores utilizados para desalojar el aire que pudiera existir en el condensador ayudando a mantener el vacío requerido para el funcionamiento eficiente del mismo, el tanque de condensado, el deareador y su tanque de oscilación [CFE, i9901,].

condensar:^ Transformar un cuerpo en estado gaseoso en estado liquido Condensado: Agua obtenida al condensar el vapor.

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2

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1.4.2 Elementos integrantes del sistema de condensados

Los elementos que integran el sistema de condensados son los siguientes:

1) Pozo caliente

El pozo caliente (localizado en la parte inferior del condensador) almacena el condensado que se forma del vapor de escape de la turbina de vapor. En él se inyecta agua de repuesto al ciclo, la cual es proporcionada por un tanque de condensado y sirve para reponer las pérdidas que existan en el ciclo. También es útil en la regulación de la presión en la línea principal de condensado, ya que en él se descarga cierta cantidad de flujo extraída de la línea principal. _ _

CONOENWO 2

D E A R M O R 2

CONOENSADO DEL POZO CUENTE

VAlVULli DE

DEAREADOR 1

CONDENSADOR

POZO CALIENTE

- CONDENS4DO - VAPOR

"ALrllZ OL BYPASS PRINCIPAL

Figura 1.4 Sistema de condensados

2) Deareador y tanque de oscilación

El deareador utilizado en centrales termoeléctricas está formado de dos partes: el deareador propiamente dicho y el tanque de oscilación localizado debajo de él.

Es necesario mantener un nivel constante en el tanque de oscilación para:

a) Evitar que se incremente el nivel de manera excesiva y se pueda presentar el riesgo de una introducción de partículas de agua a la turbina por medio de la línea de extracción de vapor (localizada en la TV).

b) Tener una- reserva constante de condensado que pueda compensar incrementos máximos en la demanda.

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3) Condensador de vapor de sellos

Se usa vapor para sellos de la turbina, evitando así la introducción de aire a la turbina bajo cualquier condición de carga. Durante la operación normal de la turbina, la presión interna en la parte de alta presión de la turbina supera a la presión de los sellos de vapor. Esta presión y flujo excedente se transfiere a los sellos de la turbina de baja presión, para pasar de ahí al condensador de vapor de sellos, completando así el ciclo. En este equipo el agua de condensado se usa para condensar el vapor.

4) Condensador de vapor de eyectores

El sistema usado para extraer los gases no condensables del condensador está formado por dos eyectores3 , los cuales son: eyector de manque y eyector de operación. Ambos emplean un chorro de vapor a alta velocidad, para remover gases del condensador, y para ayudar a mantener el vacío dentro del mismo. El vapor alcanza grandes velocidades al pasar a través de una tobera4 . El eyector de arranque se usa para desplazar grandes cantidades de aire, es decir, cuando se pierde el vacío en el condensador. El eyector de operación se utiliza cuando se alcanza la estabilidad en el condensador durante la operación normal del proceso.

5 ) Tanque de condensado

Cuando existen pérdidas en el ciclo de vapor es necesario compensarlas para mantener estables los flujos de vapor y condensado, el tanque de condensado realiza esta tarea, ya que aquí se almacena cierta cantidad de condensado proveniente de la línea principal pasando a través de la válvula de retorno. Al presentarse dichas pérdidas se inyecta condensado del tanque al pozo caliente mediante una bomba pasando a través de la válvula de repuesto, reponiendo así las pérdidas que pudieran existir.


El sistema de condensados tiene su inicio en e1,pozo caliente, el cual se localiza en la parte inferior del condensador, donde el vapor de escape de la turbina entra y hace contacto con la línea de agua de recirculación que contiene agua de enfiamiento, esto es con el fin de que el vapor pase a la fase líquida, es decir, se condense y se precipite al pozo caliente. Una vez en él, el condensado es bombeado y puede seguir 2 posibles trayectorias, una al tanque de condensado pasando a través de la válvula de retorno, el cual se utiliza para reponer las pérdidas que existan en el ciclo y así mantener el nivel del pozo caliente y de los deareadores (los cuales tienen la función de eliminar los residuos de gases del condensado), y la otra hacia las válvulas de condensados correspondientes a cada deareador. El deareador es el primer elemento del recuperador de calor-generador de vapor.

Además, existe otra línea extrayendo flujo del tanque de condensado y depositándolo en el pozo caliente mediante una bomba y pasando a través la válvula de repuesto.

Eyector: Dispositivo que permite aspirar fluido por efecto de la depresión provocada por u n chorro de agua o de vapor que circula a gran velocidad.

Tobera: Apertura por donde se inyecta el aire.

3

4

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Capítulo 1 Descripción funcional de los sistemas aue internan una CGCC

Otra acción que se lleva a cabo es la de regular la presión en la línea principal. Cuando el flujo desciende demasiado el control manda abrir la válvula de bypass auxiliar de la línea de condensados, localizada entre la línea de salida de las bombas de condensados y el pozo caliente, para recircular al pozo caliente parte del flujo de condensado tomado de la línea principal y así regular la presión de la misma [Sánchez et al, 19941.

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CAPÍTULO 2 IMPLANTACI~N Y VALIDACI~N DEL MODELO DE LA CGCC EN LA NUEVA PLATAFORMA DE SIMULACIÓN

En este capítulo se menciona como antecedente a la implantación del modelo de la CGCC en la plataforma LabWindowsíCVI al modelo denominado “Sistema Programático de Pruebas”, desarrollado en lenguaje de programación C++. Se describen las caractensticas de la plataforma LabWindows/CVI, y se presenta la metodología para la evaluación del desempeño del modelo bajo esta nueva plataforma de simulación teniendo como punto de comparación los resultados obtenidos en la plataforma C++. Por último, se presenta la especificación e implantación de los páneles de operación y monitoreo en LabWindowdCVI para la realización de las pruebas de los sistemas de la CGCC.

2.1 Antecedentes

La primera versión del simulador desarrollado en el IIE que integró los modelos de los procesos de una CGCC [Delgadillo y Fuentes, 19961 [Esquivel,l990] fue implantada en una computadora personal 486 compatible con IBM, bajo el sistema operativo DOS [Sánchez y Rudecino, 19971 [Rudecino, 19971. Las estrategias de control implantadas fueron versiones mejoradas de las que se utilizaron en los modelos individuales de TG, TV y Sistema de condensados durante las pruebas de simulación realizadas durante el desarrollo de los proyectos de modernización de los sistemas de control distribuido de dos CGCC de la Comisión Federal de Electricidad (CFE):

1) CGCC de Dos Bocas, Ver. 2) CGCC de Gómez Palacio, Dgo.

La ejecución de pruebas de simulación antes de la puesta en servicio de un nuevo sistema de control es de suma importancia ya que permite:

Validar las estrategias de control nuevas o modificadas, identificar errores y/u omisiones corrigiéndolas, así como obtener una sintonización previa. Emular fallas de la planta y obtener un mayor conocimiento de la dinámica del proceso con el control, sin la necesidad de disponer del proceso real .

A este medio ambiente de sofmare para la ejecución de los modelos matemáticos de una CGCC se le denominó Sistema Programático de Pruebas (SPP) para la evaluación de estrategias de control aplicadas a los modelos de una central generadora de ciclo combinado. El SPP permite simular un proceso de ciclo combinado mediante modelos matemáticos, representados por ecuaciones algebraicas y diferenciales. Los modelos de proceso utilizados fueron desarrollados previamente en otros proyectos de la GCI y corresponden a las turbinas de gas, turbina de vapor, los recuperadores de calor- generadores de vapor y el sistema de condensados [Delgadillo y Fuentes, 19961. El diseño

19

Capítulo 2 Implantación y validación del modelo de la CGCC en la nueva plataforma de simulación

de las estrategias de control aplicadas a los modelos mencionados fue revisado, mejorado y recodificado con la finalidad de crear una estructura de programas completamente modularizada haciendo más fácil el mantenimiento y la operación del SPP.

2.2 Programación en la nueva plataforma de simulación

La siguiente generación del simulador corresponde a un cambio de plataforma computacional y ambiente de software, ya que los programas fueron implantados en PC Pentium iII y se ejecutan en el ambiente de Labwindows/ CVI [Sánchez y Martinez, 20041. Las caractensticas operacionales del simulador son:

1) Solución de ecuaciones algebraicas y diferenciales. 2) Modificación en linea de los parámetros de los modelos. 3) Manejo de perturbaciones programadas. . 4) Desplegado en pantalla: numérico y gráfico. 5 ) Resguardo automático de resultados en disco duro. 6 ) Simulación permanente y paro forzado. 7) Uso del sistema operativo WINDOWS 2000. 8) Programación en lenguaje C.

2.3 Descripción de la plataforma LabWindows/CVI

LabWindows/CVI@ de Nacional Instruments ha sido empleada como nueva herramienta de simulación del proceso y control de una CGCC. Las características principales de esta plataforma son las siguientes:

Proporciona una poderosa herramienta de desarrollo para ingenieros y cientificos que desean construir aplicaciones de medición y de automatización (instrumentación virtual) capaz de mejorar la productividad de los desarrollos. Se caracteriza por las herramientas de generación de códigos y utilidades para creación de prototipos para un desarrollo rápido y fácil de código C. Entorno de programación ANSI C único e interactivo que permite el acceso rápido y fácil a la potencia total de C con la facilidad de Visual Basic. Es un entorno de programación para el desarrollo de aplicaciones de medición, que incluye un gran conjunto de librerías runtime para instrumentos de control, adquisición de datos, análisis e interfase de usuarios, posee todas las herramientas para crear sistemas avanzados de prueba y medición. LabWindows/CVI también contiene muchas características que hacen el desarrollo de aplicaciones de medición mucho más fáciles que en los entomos de desarrollo C tradicional. Herramienta CodeBuiZder que permite la creación de código fuente C de manera interactiva. Compatible con MicrosoftVisual C++, Borland C++, Watcom C t t y Symantec C++. Juego de herramientas adicionales para software que aceleran la comunicación entre la base de datos, control, manejo de pruebas y procesamiento de señales.

I!

20


Estas caracteristicas y el enfoque industrial que posee, hacen que LabWindows/CVI sea un software apropiado para la implantación del modelo de una CGCC.

2.4 Implantación del modelo en la plataforma LabWindows/CVI

El modelo de la CGCC fue programado originalmente en lenguaje turbo C+t por lo que se tuvo que adecuar la programación de todos los módulos de control y proceso de los sistemas que integran la CGCC para ser ejecutados en la nueva plataforma de simulación.

En forma resumida, para la implantación del modelo en la nueva plataforma se desarrollaron las siguientes actividades:

1.

2.

Se realizó la instalación del software LABWINDOWS/CVI@Versión 5.0 en una PC con sistema operativo Windows 2000. Se compilaron los programas que integran el programa constructor original y se depuraron de errores de compilación ocasionados principalmente por incompatibilidad de instrucciones, diferente forma de paso de variables entre funciones, forma diferente de declaración de parámetros en los argumentos de las funciones externas, etc. Finalmente se creó el programa constructor (ejecutable) en la nueva plataforma y se probó su funcionalidad a través de las pruebas de operación realizadas a los sistemas de control de la CGCC, verificando que los resultados durante y al final de la prueba fueran consistentes con los obtenidos en la plataforma turbo C++.

3. '

En la figura 2.1 se muestran la arquitectura de los principales módulos del programa. La función InitCVIRTE es generada automáticamente por LabWindows/CVI para la inicialización de las librerías de programación en lenguaje C. La función LoadPanel permite iniciar con un panel principal y a partir de éste, hacer el llamado a los demás páneles que se deseen mostrar. Todos los páneles generados deben ser cargados en el programa principal a través de esta función, de otra forma no podrán ser desplegados. La función DispluyPanel permite mostrar el panel que se le indique en ese momento.

La función RunUserInierface detecta en forma automática los eventos ocurridos en la interfaz de usuario para activar la acción correspondiente dentro de la simulación del proceso (selección del tipo de prueba, arranque, sincronización, generación de potencia eléctrica, desplegado de páneles, hacer pausa en el proceso, etc.).

Bajo este esquema, se pueden realizar pruebas a módulos individuales o pruebas integrales a todos los sistemas que integran la CGCC.

CENTRO DE INFORMACION SEP CENlDn

21 I

Capítulo 2

opcims de DesPiWde

Implantación y validación del modelo de la CGCC en la nueva plataforma de simulación

22


2.5.1 Realización de pruebas de simulación, presentación de resultados y validación del modelo

a) Turbina de gas (TG)

En la figura 2.2 se presentan las gráficas correspondientes al desempeño del modelo de la CGCC en ambas plataformas.

Al momento de sincronizar (punto 1) se observan oscilaciones en la variable de potencia eléctrica; sin embargo, esto es consecuencia de condiciones propias del modelo. A partir del momento en que la turbina tiene una carga mínima de 4 MW, se solicita una demanda de generación de potencia eléctrica de 10 MW (punto 2) con una rapidez de 2 MW/min, la referencia de carga se va incrementando en rampa hasta alcanzar el valor del punto de ajuste o demanda, mientras que la potencia eléctrica presenta oscilaciones pero finalmente llega al valor demandado. A medida que sucede esto, se observa que la válvula de control de combustible se abre hasta un 46.36%. En el momento en que se tiene una potencia eléctrica generada de 6 MW (punto 3), los álabes guía se abren a un 100% de acuerdo con la curva de caracterización de los álabes guía en función de la referencia de carga permaneciendo con esta apertura el resto de la prueba.

Teniendo a la turbina con una carga de 10 MW, se procede a dar una nueva demanda de 40 MW con una rapidez de 2 MW/min (punto 4) y se reactiva el comando de avance. Este nuevo incremento en la carga obliga a abrir más la válvula de combustible (64%). Antes de alcanzar los 40 MW de potencia eléctrica, la temperatura promedio del empaletado rebasa el límite de temperatura produciendo una detención por alta temperatura; sin embargo, la referencia de potencia eléctrica continuó incrementándose en lugar de retroceder, esto se debe a que el comando de avance aún se encontraba activo y la rapidez de incremento era mayor que la de retroceso. Por eso, hasta el momento en que la referencia y la demanda se igualaron (punto 5) y se desactivó el comando de avance, se pudo observar la acción del retroceso que obliga a disminuir la carga desde 38 MW a 28.9 MW valor en el cual el limite de temperatura es superior a la temperatura promedio del empaletado desactivando con ello el comando de detención por alta temperatura de empaletado.

Para disminuir el valor de la carga se produce una disminución en el punto de ajuste de la misma que se mantiene durante el tiempo en que se encuentre activado el comando de detención por alta temperatura de empaletado, provocando a su vez que el control mande a cerrar la válvula de combustible a 58.3%.

Como se observa, el desempeño del modelo en la plataforma LabWindows/CVI@ reproduce correctamente las tendencias del proceso obtenidas en la plataforma C++.


a) Plataforma C+t

b) Plataforma Labwindows

Figura 2.2. Gráfica de generación de potencia eléctrica de la TG

24

Capítulo 2 implantación y validación del modelo de la CGCC en la nueva plataforma de simulación

b) Turbina de vapor (TV) .

En la figura 2.3 se presentan las gráficas correspondientes al desempeño del modelo de la CGCC en ambas plataformas durante toda la prueba.

Se realizará la descripción del proceso a partir del momento en que se sincroniza la TV. En la figura 2.4 se presenta un acercamiento de las variables en el momento de la sincronización de la TV. Cuando se da el acoplamiento eléctrico y el generador de la turbina permanece en linea, en forma automática el control queda en modo de control por megawatts (MW) dándole una demanda de carga inicial de 10 MW (punto 1). Ahora el control de carga es el encargado de ejecutar las acciones necesarias para ordenar abrir las válvulas de estrangulamiento y así lograr que el generador desarrolle potencia eléctrica. El sistema de control ordena abrir la válvula de bypass y posteriormente la cierra para corregir un incremento repentino y reducción de la presión de estrangulamiento por debajo de su punto de ajuste (punto 2).

I

a) Plataforma C++

25



Figura 2.3 Gráfica de generación de potencia eléctrica de la TV

Las válvulas de estrangulamiento también presentan cambios bruscos teniendo un cierre hasta 4.8% para finalmente alcanzar una apertura del 40.8% (punto 3). Una vez estabilizado el sistema se comienza a generar la potencia eléctrica (punto 4).

De esta forma, la acción combinada simultánea de abrir las válvulas de estrangulamiento y de cerrar el bypass, transfiere el flujo de vapor (que estaba dirigido hacia el condensador) a la turbina, manteniéndose la relación de diseño de flujo-presión que también permite generar el punto de ajuste de presión estrangulada. Así, es generada una carga mínima de 10 MW, que inhibe la posibilidad de una acción de motonzación. Las válvulas de estrangulamiento presentan una apertura del 66% (punto 5 ) . Debido a que se está generando carga se requiere mayor flujo de vapor sobrecalentado razón por la cual el bypass disminuye su apertura al 8% (punto 6), lo que no permite una mayor producción de vapor.

26


a) Plataforma C+!

1M

im

Y e a $

3

u 0

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-poT-a*-uEcIRc4Ty

20 -vDLVu*oE-

- "*LwIoE-

o r n m m m m m m E 4 m m m m

n - 0


Figura 2.4 Gráfica de generación de potencia eléctrica de la TV (acercamiento)

21


Una vez que se alcanzó la carga de 10 MW en TV, se procede a incrementar la carga en TG a 45 MW con una rapidez de 2MWimin y en TV a 15 MW con una rapidez de 1 MWimin (punto 7). Cuando se da el comando de asignación de las demandas de potencia eléctrica (avance) los sistemas de control proceden a incrementar linealmente, mediante una rampa, las referencias de potencia eléctrica hasta que se alcance el valor demandado.

Al aumentar la demanda de TV se incrementa tanto el flujo de gases como su temperatura provocando que la temperatura en el hogar del recuperador se eleve teniéndose como consecuencia una mayor producción de vapor.

Cuando la TV tiene una carga de 15 MW, la apertura de las válvulas de estrangulamiento es de 74.4% y la apertura de la válvula de bypass disminuyó a 4.2 %.

Se seleccionó una demanda final para TV de 25 MW. Conforme la carga sigue aumentando, la apertura de las válvulas de estrangulamiento se incrementa mientras que la válvula de bypass continua disminuyendo su apertura hasta cerrar completamente. La presión de estrangulamiento no puede aumentar más puesto que la válvula de bypass está completamente cerrada y en el momento en que se aleja demasiado de su punto de ajuste (una diferencia mayor de 25 PSIG) se activa la contingencia por TPL (límite de presión estrangulada), lo que trae como consecuencia el retroceso en el valor de la carga de TV (punto 9), razón por la cual no fue posible alcanzar en su totalidad la última demanda de MW’s para la TV lográndose solamente un valor de 18.8 MW.

Como se observa, el desempeño del modelo en la plataforma LabWindowsiCVP reproduce correctamente las tendencias del proceso obtenidas en la plataforma C++.

2.6 Especificación e implantación de los páneles de operación y monitoreo en LabWindowsICVI

Para la interacción del operador con los sistemas de la CGCC se especificaron, implantaron y probaron los siguientes páneles de operación y monitoreo:

o 1 principal o 3 de proceso-control (TG1, TG2 y TV). Los páneles para los sistemas de

recuperador de calor-generador de vapor y condensados se integrarán en una etapa posterior. 4 de operación (TGI, TG2, TV y CSG). 3 de controladores (TGl, TG2 y TV). Los páneles para los sistemas de recuperador de calor-generador de vapor y condensados se integrarán en una etapa posterior. 3 de monitoreo de tendencias (TG1, TG2 y TV). Los páneles para los sistemas de recuperador de calor-generador de vapor y condensados se integrarán en una etapa posterior.

o o

o

28


A continuación se presentan los despliegues de los páneles mencionados (un panel por tipo de función).

2.6.1 Panel principal

Es el panel que aparece cuando se inicia el programa de simulación de la CGCC. A través de este panel se hace el llamado a los paneles de operación y monitoreo que integran el sistema de la CGCC para poder iniciar las pruebas funcionales y realizar el seguimiento de las principales variables del proceso. También desde aquí es donde se termina el proceso de simulación a través del comando “salir”. En la figura 2.5 se presenta el panel principal del programa de simulación de la CGCC. Si las pruebas de simulación se desean realizar con técnica difusa se tienen los comandos “difusotgl” y “difuso-tv” los cuales se tienen que accionar antes de iniciar la simulación de las pruebas.

Estos páneles están enfocados al personal familiarizado con la nomenclatura de las variables de los procesos que intervienen en los sistemas de la CGCC. Son del tipo de monitoreo, aún cuando se pueden ejecutar comandos como arranque, sincronización y solicitud de demanda de potencia eléctrica. Se puede hacer el llamado a cualquier otro panel de operación o monitoreo. También se permite realizar pausas en el proceso para verificar las condiciones de las variables en cualquier momento, esto a través del comando

29


TlFHRi CENTRAL DE GENERACION DE CICLO COMBINADO

CONTROL SUPERVISOR10 GENERALIZADO rrs'ool miyi & DESPLIEGUE DEL ESTA00 DE LA PLANTA

TURBINA DE WS 1

Figura 2.8 Panel de operación del control supervisono generalizado

2.6.4 Páneles de controladores

En estos páneles se presentan en indicación de barra y numéricamente el valor de los controladores para cada sistema. En la figura 2.9 se presenta el panel de controladores correspondiente al sistema de turbina de vapor.

Estos páneles son de indicaciones y permiten observar el desempeño actual de los controladores de una manera en que los operadores de las plantas están familiarizados.

2.6.5 Páneles de monitoreo de tendencias

Este tipo de páneles son muy útiles para observar el desempeño en línea de las principales variables del proceso de los sistemas (velocidad, generación, temperaturas, presiones, etc.) y detectar rápidamente alguna anomalía en el proceso. En la figura 2.10 se presenta el panel de monitoreo de tendencias del sistema de turbina de gas 1.

32

Capítulo 2 implantación y validación del modelo de la CGCC en la nueva plataforma de simulación

Figura 2.9 Panel de controladores del sistema de turbina de vapor

Figura 2.10 Panel de monitoreo de tendencias del sistema de turbina de gas 1

33


Las pruebas pueden desarrollarse a través del operador en donde se encarga de dar las condiciones iniciales de prueba, arrancar las unidades hasta llevarlas a la velocidad de sincronismo, sincronizarla para generar carga mínima y posteriormente, realizar solicitudes de demanda de potencia eléctrica hasta llevarlas a las unidades ai valor deseado de generación.

La otra forma es arrancar las unidades de manera automática en la cual se aceleran hasta llegar a la velocidad de sincronismo y automáticamente se sincronizan y generan carga mínima. A partir de este punto, se deja al operador la acción de realizar solicitudes de demanda de potencia eléctrica hasta llevarlas a la condición de generación deseada.

Los modos de operación de los sistemas para la etapa de generación de potencia eléctrica son:

P Control por retroalimentación de potencia eléctrica. 9 Control supervisono (control por temperatura para las TG's y control por presión

estrangulada para la TV), ya sea en tipo de control convencional (PJD) o control inteligente (lógica difusa).

I

34

CAPÍTULO 3 DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL SUPERVISORTO GENERALIZADO (CSG)

En este capítulo se describe la arquitectura del control jerárquico de tres niveles y la interacción de las variables de proceso generadas en cada uno de ellos. Se especifican los requerimientos de control para la implantación del CSG, su arquitectura, el análisis, especificación e implantación del controlador de carga por temperatura para la TG, así como el análisis, especificación e implantación del controlador de carga por presión estrangulada para la TV.

3.1 Descripción de la arquitectura del CSG.

En general, los sistemas de control de procesos se encuentran formados por un esquema genérico de control jerárquico de tres niveles, como se presenta en la figura 3.1. En el nivel infenor se ubican los sensores y actuadores (señales de entrada y salida físicas), en el nivel intermedio se ubica el control regulatono directo y control de protecciones del proceso y en el nivel superior un sistema de control supervisono.

El control supervisono es el mayor nivel operativo de automatización de la planta. En este modo, el operador establece la demanda total de potencia eléctrica (MW) de la planta y la rapidez de cambio de potencia eléctrica (MW/min). El objetivo del control supervisono en una CGCC consiste en simplificar la operación e incrementar la eficiencia global de la planta [Sánchez y Martinez, 20041.

En este modo de control CGS es posible comandar un arranque total de la planta iniciándose desde el arranque de las bombas de agua de alimentación de los recuperadores, de las TG's y la TV (arranque en caliente) hasta el encendido de los quemadores suplementarios. Todo realizado en una secuencia previamente establecida [Uram, 19771 [Sánchez y Castelo, 19981.

Para poder generar la mayor cantidad posible de potencia eléctrica, el CSG emplea el control por temperatura para el caso de las TG's y el control por presión estrangulada para el caso de la TV. Se cuida operar en un rango seguro de temperaturas de combustión y presiones de vapor evitando la activación de alarmas, es decir, sin alcanzar valores críticos, mediante la manipulación automatizada de las variables de proceso involucradas. Con esto se incrementa la eficiencia en la generación y se mantiene una operación segura y confiable.

35

Cauítulo 3 Desarrollo del sistema de control supervisono generalizado (CSG)

Figura 3.2 Nivel de sensores y actuadores de la turbina de gas

En figura 3.3 se presenta el nivel de censores y actuadores para la turbina de vapor en donde se ubican los elementos finales (válvulas de control superior e inferior y la válvula de bypass). Las variables retroalimentadas a la capa regulatoria de la TV (figura 3.5) corresponden a la velocidad de giro de flecha, la potencia eléctrica, el flujo de vapor sobrecalentado y la presión del vapor sobrecalentado.

A L4 FIGURA

RECUPERADOR DE CALOR 1 u

RECUPERADOR DE CALOR 2

3.5 A LA FIGURA

3.5 DE L4 FIGURA

.. SOBRECALENTADI

TEMPERATURA] ( F L U J O . P R E S I ~ ~

3.5 A LA FIGURA

3.5 DE L4 FIGURA

A U FIGURA 3.5

8

DE L4 FIGURA GENERADOR

VALVULA DE CONTROL INFERIOR '

CONDENSADOR PRINCIPAL

VALVULA DE BYPASS PRINCIPAL

Figura 3.3 Nivel de sensores y actuadores de la turbina de vapor

Por lo que respecta al nivel regulatorio de la turbina de gas, el arranque automático se realiza a través del panel de operación del CSG estableciéndose automáticamente las condiciones iniciales de prueba y se inicia la secuencia de arranque. En la capa de control

37

Capítulo 3 Desarrollo del sistema de control supervisono generalizado (CSG)

regulatono se va generando la señal de control de velocidad, como se puede observar en la figura 3.4, verificándose que no existan condiciones que ocasionen paro de la turbina.

Para el caso de la turbina de vapor, de igual forma se ejecuta el comando de arranque en automático desde el panel de operación del CSG para iniciar el rodado de la TV y llevarla a velocidad de sincronismo. Una vez estando en velocidad de sincronismo se ejecuta automáticamente el comando de sincronización y se lleva a la turbina de vapor a una generación de 10 MW (carga mínima). La condición para iniciar el arranque en automático de la TV es que al menos una TG esté generando potencia eléctrica. Se tiene la interacción con la capa de control regulatono de la TV (figura 3.5) en donde se genera la señal de control para la velocidad y la potencia eléctrica.

Pasando a la descripción del nivel supervisono, su función es la de lograr la máxima generación posible de potencia eléctrica a través de una demanda global de planta y operando los sistemas en control supervisono, es decir, las turbinas de gas en control por temperatura y la turbina de vapor en control por presión estrangulada. En la figura 3.6 se muestran las distintas posibilidades de operar los sistemas en control supervisono desde solo una turbina de gas, ambas turbinas de gas, una turbina de gas y la turbina de vapor o los tres sistemas juntos. Se indica la parte en donde se generan las referencias dinámicas para la obtención de la rapidez de cambio de potencia eléctrica para los tres sistemas y su interacción con el nivel regulatono directo indicando los puntos de arribo a través de conectores numéricos.

La lógica de distribución de potencia eléctrica de las TG’s tiene la función principal de dirigir el proceso de generación de las dos turbinas de gas durante la operación de la planta en el nivel de control supervisono. Esta lógica calcula y transmite los valores de demanda y rapidez de potencia eléctrica requeridos. Entonces, el control de cada TG procede a modular a las válvulas de control con el fin de controlar la combustión y así generar la producción de potencia eléctrica deseada. El proceso de supervisión normalmente demanda un valor de potencia eléctrica igual para las TG’s cuando ambas estén en control supervisono. Si solamente una TG está en control supervisono, entonces solamente su aportación a la demanda total de la planta es supervisada por el control.

La lógica para la distribución de potencia eléctrica para la TV en control supervisono tiene la función principal de dirigir la generación de la TV durante la operación de la planta. Esta lógica calcula y envía la demanda de potencia eléctrica requerida y el control procede a modular las válvulas de control para admitir el vapor y así generar la máxima producción posible de potencia eléctrica en la TV.

38

Capítulo 3 Desarrollo del sistema de control supervisono generalizado íCSG)

Figura 3.4 Diagrama esquemático del nivel de control regulatono y protecciones de la turbina de gas

39


CONTROL DE POTENCIA ELECTRICA

CONTROL DE PRESIdN ESTRANGULADA * ~ ~ - ~

Figura 3.5 Diagrama esquemático del nivel de control regulatono y de protecciones de la turbina de vapor

40


Figura 3.6 Diagrama esquemático del sistema de control supervisono generalizado

3.2 Análisis, especificación e implantación del controlador de carga por temperatura de empaletado para la TG.

La temperatura promedio del empaletado debe ser menor al valor del límite de temperatura calculado por el control de temperatura en función de la presión en la cámara de combustión. Si la temperatura promedio del empaletado alcanza o es mayor que el límite de temperatura, entonces se activa un retroceso a la válvula de combustible por alta temperatura de empaletado, generando una demanda de cerrar la válvula de combustible. De esta forma se protege a los elementos que integran a la turbina de gas.

Para el CSG fue necesario implantar un lazo de control por temperatura para los sistemas de turbina de gas. En la figura 3.7 se presenta el diagrama de flujo correspondiente al control por temperatura. Para poder ejecutar este lazo de control, la turbina de gas debe estar generando carga mínima (4 MW), como condición mínima. En el momento de ejecutar el comando para pasar la TG a control por temperatura, se asigna como demanda de generación el valor de carga base (50 M W ) . Se va supervisando el ascenso del límite de temperatura y la temperatura promedio del empaletado. Si la diferencia entre ambas temperaturas (límite - promedio) es mayor a un valor preestablecido (1 1 OK), la rapidez de cambio de generación con la que se realizará el incremento de potencia eléctrica se mantiene en la que se tenía antes de pasar a control por temperatura. Una vez que la diferencia de temperatura es igual o menor de 11 OK, la rapidez de cambio de incremento de

41

Capítulo 3 Desarrollo del sistema de control suuervisono generalizado íCSG)

CERRADO Y

CARGA MkNlMA GENERACI~N

COMANDO CONTROL POR

T E M P E R A T W

DEMANDA E

CARGA BASE (50MWJ

DIF TEMP - I LIMTEM<-TEMP.PROM I

CONIXOL mn VELOCIDAD

I

I c I

CALCULA LA R A P I D E DE CAMBIO EN FUNCION DE LA DIFERENCIA

DE TEMPERARJRA

Rlh'CION DELPUNTO DENIJSTEY LA RAPI0F.Z DE CAMBIO

c4 ACCION DE CONTROL Y

PROCESOTG

Figura 3.7 Diagrama de flujo del control por temperatura de la TG

42

Capítulo 3 Desarrollo del sistema de control suuervisorio generalizado íCSG)

Diferencia de temperatura (limite

potencia eléctrica es calculada a partir de una curva de caracterización de la diferencia de temperatura y el vector de rapidez de cambio de carga de acuerdo con los valores de la tabla 3.1.

Rapidez de cambio (MW/min)

0.05 1

I -promedio)("K) I 0.05

6 0.5

14 4.0

En la figura 3.8 se muestra la curva de caracterización de la rapidez de cambio implantada en el modelo y a través de la cual se obtienen los valores de rapidez de cambio en función de la diferencia de temperatura entre el límite de temperatura y la temperatura promedio del empaletado.

RM610EWXlEaF461ELAMEEC4ElOEFGT6WA&ClFCA. t€TC

14

Figura 3.8 Curva de caracterización de la rapidez de cambio de potencia eléctrica para el control por temperatura

Como se observa en la figura 3.8, cuando la diferencia de temperatura es mayor que 11 OK, se asigna un valor para la rapidez de cambio de potencia eléctrica correspondiente a la que introdujo el operador, que en el caso de la gráfica es de 4 MW/min (punto 1). Este valor se mantiene hasta que la diferencia es igual o menor de los 11 "K (punto 2), momento en el

4.0

43

CaDítulo 3 Desarrollo del sistema de control summisono generalizado (CSG)

cual el valor de la rapidez de cambio es obtenido de acuerdo con la variación del valor de la diferencia de temperatura y va tendiendo a cero conforme la diferencia también lo va haciendo (punto 4).

En el figura 3.9 se muestra la curva resultante obtenida durante la prueba de control por temperatura de TG.

Figura 3.9 Curva resultante de la caracterización para la rapidez de cambio de potencia eléctrica en control por temperatura

En el punto 1 indicado en la figura 3.9 aún no se activa el control por temperatura debido a que la diferencia de temperaturas es mayor que el rango establecido de 11 "K, por lo cual, la rapidez de cambio de potencia eléctrica se mantiene constante y es la que el operador estableció en el inicio de la prueba (2 MWimin). En el momento en que la diferencia de temperatura es igual a los 11 OK, punto 2, se inicia la caracterización de la rapidez de cambio de potencia eléctrica en función de la diferencia entre el límite y la temperatura promedio de empaletado. Se observa que se presenta un incremento repentino de la rapidez de cambio en este momento el cual es debido a que la diferencia de temperatura es de 10.8 OK que corresponde, de acuerdo con los valores de caracterización de la tabla 3.1, a una rapidez de cambio de 2.7 MWimin Como se puede observar en la gráfica, conforme la temperatura promedio del empaletado se aproxima al valor del límite de temperatura, la rapidez de cambio va tendiendo a cero, lo que se refleja en variaciones suaves de la apertura de la válvula de control en esa zona.

La importancia de operar mediante el control por temperatura es que se lleva a la unidad a lograr la máxima generación permitida por el límite de temperatura de UM manera más eficiente y segura, sin necesidad de la intervención de un operador.

44


3.3 Análisis, especificación e implantación del controlador de cargaporpresión estrangulada para la TV.

Este control tiene como función calcular la demanda a la válvula de bypass principal que permita regular la presión de estrangulamiento adecuada para el mejor funcionamiento de la TV. Esta presión debe ser superior a las 314 PSIG (2165 KPa) lo cual previene una alta velocidad de vapor evitando que entre agua a la turbina que en caso de suceder, ocasionaria serios daños a la misma. Cuando esta presión cae por debajo de las 314 PSIG, el control activa la protección de retroceso por presión estrangulada.

Para el CSG fue necesario implantar un lazo de control por presión estrangulada para la turbina de vapor. Para poder ejecutar este lazo de control, la turbina de vapor debe tener el interruptor principal cerrado, estar en automático, no debe haber retroceso por límite de presión estrangulada (TPL por sus siglas en inglés) y tener carga mayor a la mínima (10 MW). En el momento de ejecutar el comando para pasar la TV a control por presión, se asigna como demanda de generación el valor de carga base (60 MW). Durante este proceso, se están supervisando el valor de la presión de estrangulamiento, su punto de ajuste y su caracterización (BIAS). Con estas tres variables se obtiene el valor de presión que será caracterizado (DFPRES) para obtener el correspondiente valor de la rapidez de cambio de generación de potencia eléctrica, como se presenta en la figura 3.10.

F’unto de ajuste de presión esirangulada (P-AJUST)

Estrangulada (PRES-EST)

. Diferencia de

Presión (DIF-PRES)

Presión

t Presión &angulada caracterizada (BIAS)

DI lPRES = Presión estrangulada + BIAS -Punto de ajuste

Figura 3.10 Obtención de la diferencia de presión para el control por presión estrangulada

En la figura 3.1 1 se presenta el diagrama de flujo correspondiente al control por presión estrangulada.

45


CONTROL POR

ESTRANGULADA

&iCA DE RETROCESO POR PRESION ESSTRAN-

DE CAMBIO CONSTANTE

I

CALCULA LA REFERENCIA DE MW EN FUNClON DEL PUNTO DE ANSTSTB Y LA

1 ACCION DECONTROLY PROCESO N I W

Figura 3.1 1 Diagrama de flujo del control por presión estrangulada de la TV

46


Presión estrangulada

0.0 2757.2 4135.8 6893.0 8271.6

(Kp a) BIAS

172.4 172.4 688.8 1019.7 1019.7

(Kp4

Figura 3.12 Curva de Caracterización de la presión estrangulada en la TV

47

Capítulo 3 Desarrollo del sistema de control supervisorio generalizado (CSG)

DIF-PRES ( D a )

0.0 34.5 172.4 517.1

. 689.5

Rapidez de cambio (MWhin)

-1.5 -1.5 1.5 3.0 3.0

48

Capítulo 3 Desarrollo del sistema de control supervisono generalizado íCSG)

Figura 3.13 Curva de caracterización de la rapidez de cambio de potencia eléctrica para el control por presión estrangulada

En la figura 3.14 se presenta la curva resultante obtenida durante la prueba de control por presión estrangulada de TV de acuerdo con los valores establecidos en la tabla 3.3.

Figura 3.14 Curva resultante de la caracterización para la rapidez de cambio de potencia eléctrica en control por presión estrangulada

49


En el momento en que se pasa a la TV a control por presión estrangulada (punto l), toma un valor de rapidez de cambio de -1.5 MW/min que corresponde a una diferencia de presión de 16 KPa (ver tabla 3.3). La'máxima diferencia de presión alcanzada durante la prueba fue de 422.2 KPa correspondiente a una rapidez de cambio de 2.58 MWímin (punto 2). Conforme la TV va logrando la máxima generación de potencia eléctrica, la diferencia de presión va disminuyendo hasta estabilizarse en un valor de 133.6 KPa con una rapidez de cambio de 0.6 MW/min (punto 3). En este momento, la TV se estabiliza en su máxima generación correspondiente a 49.8 MW.

Mediante el control por presión estrangulada se lleva a la TV a lograr la máxima generación posible teniendo en ese momento a las válvulas de control totalmente abiertas (100%) y la válvula de bypass totalmente cerrada (O%), es decir, se está aprovechando todo el flujo de vapor para la generación de potencia eléctrica.

50

CAPITULO 4 ESPECIFICACIÓN Y DESARROLLO DEL CONTROLADOR INTELIGENTE DEL CSG

En este capítulo se presentan las generalidades, configuración y arquitectura de los controladores lógicos difusos, así como su aplicación para la implantación y diseño de 10s controladores de temperatura y presión estrangulada.

4.1 Generalidades de la técnica de lógica difusa

4.1.1 Introducción

La palabra difuso es solamente un adjetivo técnico, dado que los sistemas difusos se basan en cálculos precisos y el control difuso es un tipo de control no lineal que puede ser definido de esta manera [Wang, 19971. Por lo tanto, aunque los fenómenos o procesos que caracteriza la teoria de sistemas difusos pueden ser “difusos” (muy complejos para modelarlos exactamente), la teoría es en sí misma precisa.

Existen dos tipos de premisas que dan soporte a la teoría de sistemas difusos (SD) [Wang, 19971:

El mundo real es complejo y no lineal por lo que es factible usar métodos de aproximación para modelarlos con resultados razonables. Se necesita una teoría que formule el conocimiento humano en forma sistemática y pueda ser usada junto con modelos matemáticos y sistemas de medición en aplicaciones de ingeniería, administración, medicina, etc.

En la mayoría de los sistemas de ingenieria existen dos importantes fuentes de información: sensores y expertos humanos. Los sensores proporcionan mediciones numéricas de variables y los expertos humanos proveen instrucciones y descripciones lingüísticas acerca del sistema en un lenguaje natural. A la información obtenida desde los sensores se le llama información numérica y a la adquirida de expertos humanos información lingüística. La información numérica es representada por números, por ejemplo, 0.25, 1.44, etc., mientras la información lingüística es representada por palabras, como pequeño, grande, muy grande, etc. Planteamientos convencionales de ingeniería pueden solamente usar la información numérica y tienen dificultad para incorporar la información lingüística. Puesto que gran cantidad del conocimiento humano es representado en términos lingüísticos, es muy importante incorporarlo a los sistemas de ingeniería en una forma eficiente y sistemática. Una pregunta clave es, ¿Cómo formular el conocimiento humano dentro de un marco similar usado para formular mediciones y modelos matemáticos? Lo anterior se logra esencialmente a través de los sistemas difusos.

Los sistemas difusos combinan la información de expertos humanos (lenguaje natural) con mediciones y modelos matemáticos basados en leyes fisicas (ejemplo, aplicaciones en

51

Capítulo 4 Eswcificación y desarrollo del controlador inteligente del CSG

ingeniena) y, además, transforman la base de conocimiento humano en una fórmula matemática.

4.1.2 Reseña histórica

La primera publicación científica con la palabra ‘‘difusa’’ (fuzzy, en inglés) en su título apareció en 1965. El artículo de Lotfi A. Zadeh [Zadeh, 19651 introdujo la teoría de los conjuntos difusos como una extensión de la lógica clásica. En 1973, Zadeh publicó otro artículo [Zadeh, 19731 en el cual estableció los fundamentos para el control difuso introduciendo el concepto de variables lingüisticas, el cual propuso para formular el conocimiento humano con el uso de reglas difusas SI-ENTONCES. Dos años después, a partir del artículo de Mamdani y Assilian [Mamdani and Assilian, 19751, en el que se mostró cómo aplicar la lógica difusa al control de un proceso particular, se sentaron las bases para la construcción de controladores difusos para sistemas reales.

Hasta principios de los ~ O ’ S , desde un punto de vista teórico, la teoría de la lógica difusa progresó muy lentamente. Muy pocos conceptos y planteamientos fueron propuestos durante este periodo ya que eran pocos los investigadores que trabajaban en este campo. La aplicación del control difuso fue lo que salvó este campo.

Los ingenieros japoneses, con su gran interés en las nuevas tecnologías, encontraron rápidamente que los controladores difusos eran fáciles de diseñar y trabajaban bien para muchos problemas. El interés se enfocó en que el control difuso no requiere un modelo matemático para el proceso, por lo que podía ser aplicado a muchos sistemas donde la teona de control convencional no podía ser utilizada debido a la falta de modelos matemáticos. Algunos trabajos sobresalientes en aplicaciones con lógica difusa fueron los de Sugeno con el control de una planta purificadora de agua [Yagishita and Sugeno, 19851, un robot y un automóvil que se estacionaba solo [Sugeno and Nishida, 19851. Yasunobu y Miyamoto [Yasunobu and Miyamoto, 19831 desarrollaron un sistema de control difuso para el metro de Sandai, el cual comenzó a trabajar en 1987. Un evento que fue de gran impacto para la difusión sobre la teona de la lógica difusa y sus aplicaciones fue la segunda conferencia anual de la IFSA (Asociación internacional de Sistemas Difusos) llevada a cabo en Tokio en julio de 1987. Como resultado de esta conferencia se crearon instituciones y centros de investigación dedicadas a esta teona en el Japón. Como resultado de lo anterior, la lógica difusa en Japón es aplicada en áreas de control inteligente, procesamiento de datos y principalmente en productos de consumo como cámaras fotográficas, videocámaras, lavadoras de ropa, etc.

A principios de los ~O’S, el éxito de los sistemas difusos en Japón propició que las principales corporaciones europeas enfocaran sus esfuerzos para promover la lógica difusa en sus aplicaciones. Desde entonces, un gran número de industrias de automatización y control de procesos han tenido éxito al utilizar técnica.

En los últimos años, los Estados Unidos también han mostrado un gran interés en la lógica difusa y han empezado a incursionar en el mundo de la investigación y aplicación de esta teoría.

52

Cauítulo 4 Especificación v desarrollo del controlador inteligente del CSG - Inicialmente, la aceptación de la lógica difusa en el ámbito científico fue limitada; sin embargo, actualmente existen innumerables prototipos de desarrollo y algunas aplicaciones. Von Altrock [Von Altrock, 19951 menciona varios casos de estudio de aplicaciones industriales utilizando lógica difusa y cita varias referencias interesantes.

4.1.3 Sistemas Difusos (SD)

Los sistemas difusos son sistemas basados en conocimiento o sistemas basados en reglas. Los sistemas basados en conocimiento emulan las instrucciones de control de los operadores humanos, mientras que los sistemas basados en reglas proveen una descripción acerca del comportamiento del sistema. De esta manera, los SD se pueden usar como controladores (controladores difusos) o para modelar procesos o fenómenos no lineales. Para ello, los SD utilizan reglas difusas del tipo SI-ENTONCES, que son declaraciones en las cuales las palabras (términos lingüísticos como negativo, positivo, grande, mediano, caliente, fro) son caracterizadas por funciones de membresía continuas. La configuración básica de un SD se presenta en la figura 4.1

xen U

Figura 4.1 Configuración básica de un sistema difuso

El fuzificador transforma el valor real de la variable de entrada en un conjunto difuso. La base de reglas representa la colección de reglas difusas SI-ENTONCES. La máquina de inferencia combina las reglas difusas en un mapeo de los conjuntos difusos de la entrada a los conjuntos difusos de la salida basados en principios de lógica difusa. Por Último, el desfuzzficador transforma un conjunto difuso en un valor real para la variable de salida.

Los sistemas difusos, como el que se muestra en la figura 4.1, pueden ser usados como controladores en lazo abierto o en lazo cerrado. En el primer caso, éstos establecen algunos parámetros de control y entonces el sistema opera de acuerdo a esos parámetros de control. Cuando se usan como un controlador en lazo cerrado, los sistemas difusos miden la salida del proceso y toman acciones de control sobre el proceso de forma continua. Las aplicaciones de sistemas difusos en procesos industriales corresponden a esta categona.

53

Capítulo 4 Especificación v desarrollo del controlador inteligente del CSG

4.2 Control lógico difuso (CLD)

Un CLD posee una estructura natural para incorporar información lingüística de los expertos humanos. La figura 4.2 muestra la estructura del CLD. Las señales de los sensores tienen que ser traducidas a variables lingüísticas. Este es el módulo llamado fuzificación, ya que se utilizan conjuntos difusos para convertir las variables reales a variables lingüísticas. Después que las variables de entrada son convertidas a su respectivo valor de las variables lingüísticas, el módulo de inferencia difusa evalúa el estado real del proceso mediante las reglas difusas SI-ENTONCES, que definen el comportamiento requerido del sistema. Por último, el módulo de desfuzificación convierte el resultado lingüístico, proveniente del módulo de inferencia difusa, a un valor real.

Variables controladas Variables de control (variables lingüisticas) (variables lingüisticas)

Nivel

Nivel Numérico

Fuzificación Desfuzificación Proceso I

(Valores Numéricos) (Valores Numéricos)

Figura 4.2 Estructura del controlador lógico difuso

Los controladores lógicos difusos proveen un algoritmo que puede convertir una estrategia de control lingüístico, basada en conocimientos de expertos, en una estrategia de control automático. Estos controladores definen típicamente un mapeo no lineal desde el espacio de estado al espacio de control. De esta manera, cada controlador puede ser visualizado como una superficie de control no lineal que presenta el conocimiento acumulado de los operadores e ingenieros del proceso. Cada superficie de control está representada en forma declarativa en la base del conocimiento y ejecutada por un intérprete o un compilador (proceso de inferencia). La base de conocimiento consiste de un conjunto de reglas difusas que es un conjunto de funciones de membresía en la que se divide el universo de discurso.

54

Caoítulo 4 Esoecificación v desarrollo del controlador inteligente del CSG

4.3 Aplicación del controlador lógico difuso a ia supervisión de la temperatura promedio de empaletado y la presión estrangulada

La estrategia que se utilizó para el control por temperatura y el control por presión estrangulada durante la generación de potencia eléctrica fue sustituir directamente el control convencional por un controlador lógico difuso (CLD), como se muestra en la figura 4.3 y 4.4 respectivamente.

El CLD por temperatura evalúa la diferencia entre el límite de temperatura y la temperatura promedio de empaletado, como se muestra en la figura 4.3. Si la diferencia de temperatura es mayor de 11 OK, la rapidez de cambio de potencia eléctrica se mantiene constante y corresponde a la que introdujo el operador. Si la diferencia de temperatura es menor de 11 OK, el CLD genera la referencia dinámica para obtener la rapidez de cambio de potencia eléctrica.

El CLD por presión estrangulada evalúa la diferencia entre la presión estrangulada, su caracterización y su punto de ajuste, como se muestra en la figura 4.4. Si la diferencia de presión es menor de O KPa se activa la protección de retroceso por límite de presión estrangulada. Si la diferencia de presión es mayor de O KPa, el CLD genera la referencia dinámica para obtener la rapidez de cambio de potencia eléctrica.

Figura 4.3 Configuración del controlador lógico difuso por temperatura

."

Figura 4.4 Configuración del controlador lógico difuso por presión estrangulada

55

Capítulo 4 Especificación y desarrollo del controlador inteligente del CSG

En ambos casos, las salidas de los CLD's generan las referencias dinámicas para obtener la rapidez de cambio de potencia eléctrica. Las reglas difusas evalúan la diferencia entre los valores medidos y la referencia, y la tendencia de esa diferencia determina las referencias dinámicas para el cálculo de la rapidez de cambio de potencia eléctrica. Una de las ventajas de utilizar los CLD's sobre un controlador PI es que se pueden implementar estrategias de control no lineales utilizando reglas lingüísticas.

La figura 4.5 muestra la estructura del CLD para el control de temperatura y presión estrangulada. Las señales de temperatura y presión (valores numéricos) son traducidas en las variables lingüísticas @roceso de fuzificación) en el cual se utilizan conjuntos difusos para convertir las variables reales a variables lingüísticas. Mediante el módulo de inferencia difusa se evalúa el estado real del proceso mediante las reglas difusas SI-ENTONCES, que definen el comportamiento de la rapidez de cambio de generación de potencia eléctrica. Por Último, el módulo de desfuzificación convierte el resultado lingüístico, proveniente del módulo de inferencia difusa, a un valor real.

Limite de temperaturdTemperahrra promedio de empaletado

Presión de estrangulamientolPunto de aiustelPresión caracterizada

Rapidez de cambio de generación de potencia e1ecnica

(variables iinpüisticar)

Inferencia Difusa (variables iinpüirticar)

_ _ _ _ _ - - - _-------___------_____ - ______-. ' U , Desfuzificación - (Valores Numéricos)

Nivel lingüistico

Nivel Numérico

Proceso

li Fuzificación

(Valores -rzq Numéricos)

Figura 4.5 Estructura del controlador lógico difuso para el control de temperatura y presión estrangulada

4.4 Diseño de los controladores lógicos difusos (CLD) para el control por temperatura y presión estrangulada

Los elementos esenciales considerados en el diseño de los CLD's para el control por temperatura y presión estrangulada incluyeron definir los siguientes puntos:

1) Variables lingüísticas de entrada y salida.

Para la selección de las entradas y la salida del'CLD primero especificamos las variables lingüísticas. En el'caso del CLD de temperatura se tiene como variables de entrada al límite de temperatura y la temperatura promedio del empaletado y como salida la rapidez de cambio de generación de potencia eléctrica de TG. En el caso del CLD de presión se tiene como variables de entrada la diferencia de presión estrangulada (presión estrangulada -

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punto de ajuste) y la presión estrangulada caracterizada y como salida la rapidez de cambio de generación de potencia eléctrica de TV. También se estableció el universo de discurso (dominio de la variable) para cada entrada y salida.

2) Precisar el mecanismo en el cual los valores numéricos de las variables del proceso son convertidos a valores difusos (fuzificación)

Para el proceso de fuzificación, una agrupación de conjuntos difusos fue asociada para las variables lingüísticas de la entrada de cada CLD. Estos conjuntos difusos son conjuntos de valores lingüísticos. Las pruebas que se realizaron de los controladores difusos fueron con sistemas difusos que dieron mejores resultados con 5 y 7 funciones de pertenencia tipo triangular, reglas del tipo (si-entonces) y salidas constantes tipo singleton. Para el caso del CLD por temperatura, los mejores resultados se obtuvieron utilizando 7 funciones de pertenencia debido a que este controlador opera cuando la diferencia de temperatura entre el límite de temperatura y la temperatura promedio de empaietado es de 11 OK, es decir, es un rango pequeño comparado con los valores de temperatura que se dan en el proceso y de esta forma se requirió tener mayor flexibilidad para modificar funciones de pertenencia en rangos pequeños.

Para las dos entradas del CLD de temperatura (figura 4.6 y 4.7), los valores lingüísticos son:

Límite de temperatura: lim-bajo(LB), muygequeño(W), pequeño(P), mediano(M), grande((;), muySande(MG), lim-alto(LA).

"4

Figura 4.6 Variables lingüísticas para el límite de temperatura

Temperatura promedio de empaletado: lim-bajo(LB), muygequeño(MP), pequeñop), mediano(M), grande(G), muy-grande(MG), lim-alto(LA).

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Capítulo 4 Esuecificación y desarrollo del controlador inteligente del CSG

8982 8983, .~ 898.4. 8% 8986 . . E%.?.. 9113 ,9135 9151 PROMJ@(%Cl

Figura 4.7 Variables lingüisticas para la temperatura promedio de empaletado

Por lo que respecta al CLD de presión, de igual manera realizaron pruebas de los controladores con sistemas difusos con 5 y 7 funciones de pertenencia con las mismas características que el CLD de temperatura. En este caso, también se obtuvieron mejores resultados utilizando 7 funciones de pertenencia debido principalmente a que este controlador considera la interacción de tres variables de presión (estrangulada, caracterizada y punto de ajuste) y se requerían hacer modificaciones en rangos pequeños para cada variable lo cual se consiguió empleando 7 funciones de pertenencia.

Para las dos entradas del CLD de presión (figura 4.8 y 4.9), los valores lingüísticos son:

Diferencia de presión estrangulada: Jim-bajo(LB), muyqequeño(MP), pequeño(?), mediano(M), grande(G), muy-grandeQvíG), lim - alto(LA).

"t :i

&11- -938 -558.2 -5065,-454.9. 4 3 . 3 ~351.7:~300.1 -A85 'DIF-PkS@A)

Figura 4.8 Variables lingüisticas para la diferencia de presión estrangulada

Presión caracterizada: lim-bajo(LB), muygequeño(MP), pequeno(P), medianom), grande(G), muy-grande(MG), lim-alto(LA).

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Capítulo 4 Especificación v desarrollo del controlador inteligente del CSG

"t I LB M P P W 'G MG LA

Figura 4.9 Variables lingüísticas para la presión caracterizada

3) Determinar la base de reglas

El número de reglas de control que son posibles para un controlador de r-entradas y una salida con n niveles de cuantificación de las variables en conjuntos difusos es: n'. Por ejemplo, los CLD's de temperatura y presión tienen dos entradas, por lo que r;2 y entonces el número de reglas es n'. Para la interfase de fuzificación se seleccionaron n=7 funciones de pertenencia y como consecuencia el número de reglas de control son 49. El número de reglas evaluada para el CLD de temperatura es de 20 (tabla 4.1) y para el CLD de presión es de 32 (tabla 4.2). La obtención de las reglas difusas fue a través de la herramienta ANFIS, que es un sistema de inferencia neuro-difuso, de Matlab como una primera aproximación y posteriormente se fueron modificando con base en el análisis de la dinámica de las variables del proceso (temperatura y presión) y la variable de rapidez de cambio de potencia eléctrica.

Tabla 4.1 Base de reglas para el CLD de temperatura

59


Tabla 4.2 Base de reglas para el CLD de presión

/DIF-TMT/ ILB / M

- _.I- - .. .-,.-

E ~

NEGl POS1 - E ~

POS3 POS7

~

RAP POS11 € RAP POS5

Las tablas 4.1 y 4.2 asignan valores lingüísticos de salida dependiendo de los valores lingüístico de las entradas Por ejemplo, para el controlador de temperatura, si se tiene que el límite de temperatura (LIM) corresponde a un valor lingüístico de “muy pequeño” (MP) y la temperatura promedio de empaletado (PROM) corresponde a un valor lingüístico “límite bajo” (LB), el valor asignado de salida corresponde a un valor lingüístico “rapidez negativa 1” (RAP-NEGI) y este es el valor que se procesa cada vez que se tenga esta combinación de las variables de entrada. De igual forma se procede para las demás combinaciones indicadas en cada tabla.

4) Elegir o seleccionar el método de inferencia difusa que evalúe las reglas difusas

El proceso de inferencia es el corazón del CLD. Tiene la capacidad de simular la toma de decisiones de un humano basado en conceptos difusos para inferir acciones de control a través de implicaciones y reglas difusas. Existen varias opciones para elegir el método de inferencia difusa, pero se optó por el modelo de Mamdani [Lee, 19901, ya que presenta un método heunstico en el cual la colección de las reglas difusas de control son formadas por el análisis del desempeño de los controladores en el proceso.

5) Establecer una transformación adecuada de las acciones de control difuso a acciones de control numéricas (desfuzificación)

Para optimizar el proceso de desfuzificación, se utilizaron funciones escalón en la variable de salida llamados singleton . Un singleton es una función de membresía representada por una sola línea vertical. Esto permite reducir el tiempo del cálculo computacional. Los valores iniciales de desfuzificación para los CLD de temperatura y presión fueron obtenidos mediante la herramienta ANFIS de Matlab; posteriormente, fueron modificados para mejorar la respuesta de los mismos de acuerdo con el análisis de la dinámica de las variables indicadas.

60


I --

Los valores finales de salida para el CLD de temperatura se presentan en la figura 4.10.

*4 ~ . . . . .

NEGi .PMl'PO~ PUS3 Ph4 63SS 'PO% 'PO6 POSS'.P& PÓSlÓP&ll,POSl2 PMU POS14 PMlS POSIó.FQS¡? PÓS18 POS19

L

I -i

NE- NEG7 NEG6 NEG5 NE- NEG3 'NEG2 NEG1:POSl POS2 .POS3 POS4 POS5 :POS6 POS7 POS8

61

. . . . . . . . .

. .

Capítulo 4 Especificación Y desarrollo del controlador inteligente del CSG

Tabla 4.3 Característica de los CLD de temperatura y presión estrangulada

62

CAPÍTULO 5 PRESENTACI~N DE RESULTADOS

En este capítulo se describen las pruebas funcionales realizadas a los sistemas que integran la CGCC. En primer lugar, se presenta la especificación de las pruebas correspondientes al control convencional y la evaluación de los resultados obtenidos en control por retroalimentación de potencia eléctrica versus control por control supervisorio. En segundo lugar, se presenta la especificación de las pruebas y la evaluación de los resultados del control supervisorio versus el control inteligente.

5.1 Selección de la técnica para la evaluación de desempeño

Como los sistemas de control son dinámicos, se puede evaluar su funcionamiento en términos de respuesta transitoria ante determinadas entradas, tales como un escalón, rampa, etc., o se pueden dar especificaciones en términos de un índice de comportamiento. Un índice de comportamiento es un número que indica el grado de beneficio del funcionamiento del sistema. La evaluación de un sistema de control se puede considerar aceptable si los valores de los índices de comportamiento son un mínimo o un máximo.

En la literatura se han propuesto varios índices de comportamiento basados en el error, que son integrales de alguna función de la salida del sistema en sí, con la entrada deseada.

En esta sección se realiza la evaluación del desempeño de los controladores de temperatura y presión estrangulada de los sistemas de control convencional PI y difuso mediante la aplicación del siguiente índice normalizado [Graham and Lathrop, 19531:

integral del valor absoluto del error (IAE, por sus siglas en inglés) medido desde que los sistemas se pasan a control por temperatura en el caso de la TG o a control por presión estrangulada en el caso de la TV.

m 11 4) I dt O

El criterio iAE es adecuado para ser utilizado como parámetro de desempeño para sistemas que tengan características satisfactorias en su respuesta transitoria [Ogata, 19801. El controlador que presente el valor mínimo al ser evaluados con el IAE representará el mejor sistema.

De esta manera, utilizando criterios de eficiencia se podrá calificar el comportamiento de los controladores de temperatura y presión estrangulada durante las pruebas realizadas a los sistemas de turbina de gas y turbina de vapor, respectivamente.

63

5.2 Especificación de pruebas y evaluación de resultados del CSG en control convencional

Las pruebas realizadas se llevaron a cabo utilizando los páneles de operación diseñados e implantados para los sistemas de control y que fueron descritos la sección 2.6.

El objetivo de las pruebas es evaluar el desempeño y determinar la máxima generación de potencia eléctrica en cada tipo de control (control por potencia eléctrica y control supervisono).

En la tabla 5.1 se presenta la matriz de operación para la realización de las pruebas a los sistemas de la CGCC.

I I I I I

Tabla 5.1 Matriz de operación para las pruebas funcionales

No.prueba I TGl TG2 TV 1 I ,/ I I I No. prueba 1 2 3

TGl TG2 TV 4 71 71 4 4 4

2 71 71 3

Las pruebas consistieron en el incremento de generación de potencia eléctrica para los siguientes casos:

Prueba No. 1. Una TG Prueba No. 2. Una TG y la TV Prueba No. 3. Dos TG’s y la TV

Se realizaron las pruebas a los sistemas tanto en control por retroalimentación de potencia eléctrica como en control supervisorio para tener un punto de comparación y apreciar las mejoras que representa operar en este modo. El principal factor de comparación es la cantidad de generación de potencia eléctrica lograda en cada tipo de control.

5.2.1 Prueba 1: Incremento de generación de potencia eléctrica en una TG

El procedimiento de prueba consiste básicamente en realizar el arranque de la TG, sincronizarla y llevarla a carga mínima (4 MW). Mediante demandas de carga por parte del operador llevarla a 10 MW, 40 MW y carga base (50 MW). En el caso de control supervisono, esta Última demanda de 50 MW la realiza automáticamente cuando se da el comando de pasar a este modo de control.

.i .i

Se presentan las gráficas mostrando el desempeño de las variables correspondientes al límite de temperatura, temperatura promedio del empaletado, las variables de generación (punto de ajuste, referencia y potencia eléctrica) y la válvula de control como variables significativas para el análisis del proceso.

64

Cauítulo S Presentación de resultados

5.2.1.1 Control convencional (PID) en control por potencia eléctrica (MW)

En la figura S. 1 se presenta la respuesta del control de la turbina de gas cuando opera en control por potencia eléctrica y sin operador que ajuste manualmente la referencia de la potencia eléctrica.

Como se observa, en el momento de producirse el retroceso por alta temperatura (punto 1), el punto de ajuste de generación empieza a disminuir y por consecuencia, la referencia y la generación disminuyen hasta el momento en que se quita la condición de retroceso. A partir de este momento, la temperatura promedio de empaletado se mantiene por debajo del límite de temperatura lo que significa que se está en posibilidad de generar más potencia eléctrica ya que el límite de temperatura así lo permite; sin embargo, no se aprovecha esta condición y no se logra generar la máxima potencia eléctrica.

Figura 5.1 Respuesta del control convencional de TG1 en control por retroalimentación de potencia eléctrica

5.2.1.2 Control convencional (PID) en control supervisorio

En la figura 5.2 se presenta la respuesta del control de la turbina de gas cuando opera en control supervisono.

Se observa que al momento de pasar a control supervisono (punto I), automáticamente se asigna como demanda el valor de carga base (50 MW). La referencia y la generación avanzan para igualar la demanda con una rapidez de cambio determinada por la curva de Caracterización de acuerdo al valor de la diferencia de temperaturas (límite -promedio). En el momento en que el valor de la temperatura promedio alcanza al límite de temperatura @unto 2), la rapidez de cambio es cero, como se aprecia en la curva de caracterización de la

65

Capítulo 5 Presentación de resultados

rapidez de cambio de potencia eléctrica (figura 3.9, capítulo 3). Cuando el promedio sobrepasa el valor del límite se produce una detención y se presenta retroceso por alta temperatura. En la figura 5.3 se presenta un acercamiento de las variables para este instante.

Cuando se presenta el retroceso por alta temperatura, la demanda de generación empieza a bajar y, consecuentemente, también la referencia y generación. Cuando la temperatura promedio vuelve a estar por debajo del límite se vuelve a incrementar automáticamente la demanda, referencia y generación hasta que nuevamente el promedio sobrepase al límite y así se mantiene con pequeñas variaciones sobre el punto de máxima generación permitida por el límite de temperatura. En este momento la variación de la rapidez de cambio es muy pequeña (de O a 0.1 MWhin), lo que permite que las variaciones en la válvula de control sean suaves sin tener repercusión alguna en el proceso ya que se realiza el control en el limite critico de la variable de temperatura sin alcanzar las condiciones de activación de alarmas.

Todos estos ajustes para regular la generación al máximo permitido por el valor del límite de temperatura son realizados de manera automática a través del control supervisorio.

.....................

w m m m 84

Figura 5.2 Respuesta control por temperatura de TG

66

Prueba No.

1

67

Tipo de control Generación de potencia eléctrica (MW)

Control convencional (PID) en control por 47.2 potencia eléctrica (MW) Control convencional VID) en control 48.2 supervisono


En control por potencia eléctrica la generación es limitada, es decir, no se aprovecha la condición de la temperatura promedio de empaletado para lograr generar la máxima potencia eléctrica.

5.2.2 Prueba 2: Incremento de generación de potencia eléctrica en una TG y en la TV

El procedimiento de prueba consiste en realizar el arranque de TG1, sincronizarla y llevarla a generar 10 MW. Cuando la TG1 llega a 10 MW, se solicita una nueva demanda de 40MW. Estando la TGI en 40 MW se inicia el rodado de la TV, se sincroniza y se lleva a generar carga mínima (10 MW). Cuando la TV se estabiliza en 10 MW y TG1 en 40 MW, se solicita carga base (50 MW) a la TG1 y una demanda de 60 MW a la TV. En el caso de operar los sistemas en control supervisorio, se pasa la TG1 a control por temperatura y la TV a control por presión estrangulada.

Para ver el desempeño de la TV en control supervisorio, se presentan las gráficas mostrando el desempeño de las variables correspondientes a la presión de estrangulamiento, las de generación (punto de ajuste, referencia y potencia eléctrica) y la apertura de válvulas como variables significativas para el análisis del proceso.

5.2.2.1 Control convencional (PID) en control por potencia eléctrica

La respuesta de la operación en control por potencia eléctrica para la TG se explicó en la prueba no. 1.

En la figura 5.4 se presenta la respuesta del control de la turbina de vapor cuando opera en control por potencia eléctrica.

Se observa que en el momento de que el operador solicita una carga máxima a TV (que en este caso es de 60 MW), punto 1, la rapidez de cambio es constante (no hay cambio en la pendiente de la referencia de generación) y es la que introdujo el operador (3 MW/min), es decir, no se ajusta automáticamente de acuerdo con el valor de la presión estrangulada, como lo haría si se opera en control supervisorio. Esto ocasiona mayores variaciones en la generación de la potencia eléctrica y en la presión estrangulada.

En la figura 5.5 se presenta un acercamiento de las variables para este instante

Con el control supervisorio se logra un mejor seguimiento de la generación de la potencia eléctrica lograda mediante el ajuste de la rapidez de cambio de generación calculada de acuerdo con la variación de la presión estrangulada (gráfica 3.14, capítulo 3).

68


I I

Figura 5.4 Respuesta del control convencional de TV en control por potencia eléctrica

Figura 5.5 Respuesta del control convencional de TV en control por potencia eléctrica (acercamiento)

69



La respuesta de la operación en control supervisono para la TG se explicó en la prueba no. 1. En esta sección se analiza la respuesta del control de la TV cuando opera en control supervisono, la cual se presenta en la figura 5.6.

Se observa que al momento de pasar a control supervisono (punto i), automáticamente se asigna como demanda el valor de carga máxima (en este caso es de 60 MW). En este instante se logra que el seguimiento de la generación de potencia eléctrica sea mejor (ver tabla 5,4 y figura 5.10), así como la presión estrangulada, aún cuando presenta algunas variaciones, se mantiene en un valor más cercano a su punto de ajuste en comparación con la respuesta obtenida en control por potencia eléctrica.

En la figura 5.7 se presenta un acercamiento de las variables para este instante.

Figura 5.6 Respuesta del control convencional de TV en control supervisono

70

Figura 5.7 Respuesta del control convencional de TV en control supervisorio (acercamiento)

5.2.2.3 Comparación de resultados control convencional (PID) en control por potencia eléctrica y en control supervisorio

Para evaluar el desempeño de las pruebas de control convencional para los sistemas de TG1 y TV en los casos mencionados, se considera como variable de referencia a la generación de potencia eléctrica. En las figuras 5.8 y 5.9 se presentan las variables de potencia eléctrica de la turbina de gas y la turbina de vapor indicándose el total de generación lograda para cada tipo de prueba.

71


Figura 5.8 Generación de potencia eléctrica cuando opera TG1 y TV en control por

Figura 5.9 Generación de potencia eléctrica cuando opera TG1 y TV en control supervisono

En la tabla 5.3 se presenta el valor de generación de potencia eléctrica para cada caso.

72


Prueba No.

2

Tabla 5.3 Generación de potencia eléctrica para cada modo de control

Generación de potencia eléctrica MW Tipo de control (MW) totales

TG1 TV Control convencional (PID) en 47 19.7 66.7 control por potencia eléctrica Control convencional (PID) en 48.2 20.1 68.3 control supervisono

IAE con control por iAE con control potencia eléctrica

Se observa que el error es menor cuando se opera con control supervisono, por lo que se confirma que se tiene mejor desempeño en comparación con el control por potencia eléctrica.

supervisono

En la figura 5.1 O se muestra el índice iAE para ambas casos.

47.93

73

24.02

AEEñEñcontrolpor, ¡

Figura 5.10 Índice IAE para el seguimiento de potencia eléctrica en TV

5.2.3 Prueba 3: Incremento de generación de potencia eléctrica en dos TG’s y la TV

El procedimiento de prueba consiste en realizar el arranque de TG1 y TG2, sincronizarlas y llevarlas a generar 10 MW. En forma paralela, llevar a TG1 y TG2 a 40 MW e iniciar el rodado de la TV, sincronizarla y generar carga mínima (10 MW). Cuando la TV se estabiliza en 10 MW, TG1 y TG2 en 40 MW, se lleva a la TV a una generación de 40 MW. Finalmente, cuando los tres sistemas están en 40 MW se solicita carga base (50 MW) a las turbinas de gas y una demanda de 60 MW a la TV. En el caso de operar los sistemas en control supervisono, cuando los tres sistemas están en 40 MW se pasan las TG’s a control por temperatura y la TV a control por presión estrangulada.

Para ver el desempeño de la TV en control supervisorio, se presentan las gráficas mostrando el desempeño de las variables correspondientes a la presión de estrangulamiento, las de generación (punto de ajuste, referencia y potencia eléctrica) y la apertura de válvulas como variables significativas para el análisis del proceso.

5.2.3.1 Control convencional (PID) en control por potencia eléctrica

En la figura 5.1 1 se presenta la respuesta del control de la turbina de vapor cuando opera en control por potencia eléctrica.

Se observa que en el momento de que el operador solicita una carga máxima a TV (que en nuestro caso es de 60 MW), punto 1, la rapidez de cambio es constante (no hay cambio en la pendiente de la referencia de generación) y es la que introdujo el operador (3 MWímin), es decir, no se ajusta automáticamente de acuerdo con el valor de la presión estrangulada,

74


como lo haría si se opera en control supervisono. Esto ocasiona mayores variaciones en la generación de la potencia eléctrica y en la presión estrangulada.

Con el control supervisorio se logra un mejor seguimiento de la generación de la potencia eléctrica lograda mediante el ajuste de la rapidez de cambio de generación calculada de acuerdo con la variación de la presión estrangulada (gráfica 3.14, capitulo 3).

Figura 5.1 1 Respuesta del control convencional de TV en control por potencia eléctrica


En la figura 5.12 se presenta la respuesta del control de la turbina de vapor en control supervisorio para el caso en que opera con dos TG’s.

Se observa que al momento de pasar a control supervisorio @unto l), automáticamente se asigna como demanda el valor de carga máxima (en nuestro caso es de 60 MW). En este instante se logra que el seguimiento de la generación de potencia eléctrica sea mejor, así como la presión estrangulada presente menos variaciones en comparación con la respuesta obtenida en control por potencia eléctrica.

75

Figura 5.12 Respuesta del control convencional de TV en control supervisono

5.2.3.3 Comparación de resultados control convencional (PID) en control por potencia eléctrica y en control por presión estrangulada

Para evaluar el desempeño de las pruebas de control convencional para los sistemas de TG1, TG2 y TV en los casos mencionados, se considera como variable de referencia a la generación de potencia eléctrica. En las figuras 5.13 y 5.14 se presentan las variables de potencia eléctrica de las turbinas de gas y la turbina de vapor indicándose el total de generación lograda para ambos casos en esta prueba.

Se puede observar que en la respuesta de los sistemas operando en control supervisono (figura 5.14), la generación de potencia eléctrica, tanto en las turbinas de gas así como en la turbina de vapor, presenta pequeñas variaciones. Estas variaciones no tienen repercusiones en el proceso ya que se realiza el control en el límite critico de la variable de temperatura (TG’s) y presión estrangulada (TV) sin alcanzar las condiciones de activación de alarmas.

76


Figura 5.13 Generación de potencia eléctrica cuando operan dos TG’s y la TV en control por potencia eléctrica

o ............

............

o ............

o ............

0 L ............

........... .. ............

, ........... ,. ............ I

Figura 5.14 Generación de potencia eléctrica cuando operan dos TG’s y la TV en control supervisono

En la tabla 5.5 se presentan los valores de generación de potencia eléctrica para cada caso.

77


No.

3

Tabla 5.5 Generación de potencia eléctrica para cada modo de prueba

Tipo de control (MW) MW totales TGl TG2 TV

Control convencional 45.9 44.6 45.8 136.3 VID) en control por potencia eléctrica Control convencional 47.2 45.9 47.7 140.8 (PID) en control supervisorio

I Prueba I I Generación de potencia eléctrica I

De acuerdo con los datos obtenidos en la prueba, la mayor generación de potencia eléctrica se obtiene cuando se opera en control supervisorio. Con el control supervisorio se logra un incremento del 3.3 % en la generación. Para el caso del seguimiento de potencia eléctrica de la TV, las observaciones son las mismas que en la prueba 2.

En la tabla 5.6 se presentan los índices de desempeño para la TV correspondientes a la operación en control por potencia eléctrica y en control supervisorio.

Tabla 5.6 Índice IAE para el seguimiento de generación de potencia eléctrica de TV

INDICE DE DESEMPENO DE SEGUIMIENTO REFERENCIA - GENERACIÓN

IAE con control por otencia eléctrica

M E con control por

Se observa que el error es menor cuando se opera con control supervisono, por io que se confirma que se tiene mejor desempeño en comparación con el control por potencia eléctrica. En la figura 5.15 se muestra el índice IAE para ambas casos.

78

___-

Figura 5.15 Índice IAE para el seguimiento de potencia eléctrica en TV

Con el control supervisorio se increment6 la generación de potencia eléctrica en comparación con la obtenida en control por retroalimentación de potericia eléctrica en los porcentajes indicados en cada prueba presentada. Este incremento equivale a un beneficio económico para la central generadora y es factible cuantificarlo si se obtiene su acumulado en un penodo de tiempo (horas, días, etc.).

Por ejemplo, para el caso de las tres unidades operando (tabla 5.5) se obtuvo una generación adicional de potencia eléctrica de 4.5 MW en control supervisono respecto a la generación en control convencional. En la tabla 5.7 se presenta el beneficio económico obtenido para este caso, considerando un costo de producción por MW de 800 dólares [Battikha, 19921.

Tabla 5.7. Beneficio económico logrado cuando se opera en control supervisono

Beneficio en generación

(supervisono - convencional)

PRODUCCION

Control en Control Costo de Beneficio por Beneficio por

(dólares (dólares) (dólares) producción hora día

iMW)

>E GENERACIÓN DE POTENCIA ELÉCTRICA

136.3 140.8 4.5 800 ~4.5x800=3600~3600x24=86400

Como se observa, con la implantación del control supervisono es posible obtener un beneficio adicional de la generación, el cual es equivalente a $86 400 dólares diarios.

79

Como parámetro comparativo, considérese que la inversión para la repotenciación' de una central es del orden de un millón de dólares por cada MW producido. Es decir, que la inversión requerida para incrementar la generación en 4.5 MW sena de 4.5 millones de dólares.

Prueba Forma de control Objetivo Variables a controlar

1 Control difuso por Evaluar el desempeño Temperatura (limite y No.

temperatura (modo del controlador lógico promedio de supervisono) para difuso por temperatura y empaletado) TGl compararlo contra el

Con el control supervisono, en aproximadamente 52 días de operación continua se recuperaría la inversión para lograr un beneficio igual sin repotenciar la central.

5.3 Especificación de pruebas y evaluación de resultados de los controladores inteligentes del CSG

En esta sección se describen los resultados obtenidos al sustituir el control por temperatura en la TG y el control por presión estrangulada en la TV (convencionales) por controladores inteligentes basados en técnicas de lógica difusa.

Parámetros para evaluar o comparar

integral del valor absoluto del error (IAE) de temperatura

prtsión del control3dor 1Ogi.w Presión cstrmgula& Inregrd del valor absoluto Punro de aiusre de del m o r (IAE) dc presión

estrangulada (modo supervisono) para TV

Las pruebas para el control supervisono de la TV fueron integrales, es decir, consideró la operación de todos los sistemas de la CGCC.

5.3.1 Prueba No. 1: Control lógico difuso (CLD) por temperatura para la TG

Para el CSG fue necesario implantar un lazo de control por temperatura para las turbinas de gas. El objetivo del control por temperatura se estableció en el punto 3.2 del capitulo 3. Debido a que este lazo de control es el enlace entre el nivel supervisorio y el nivel

difuso por presión presión estrangulada estrangulada y Presión estrangulada compararlo contra el caracterizada (BIAS) control convencional.

I Repotenciación: Modificar el diseño del proceso para darle mayor capacidad de generación (cambio de álabes, rediseño de tuberías, etc.).

80 . . . . , . . . . . . ~

regulatorio directo (ver figura 3.6 del capítulo 3), se planteó la hipótesis de implantarlo mediante la técnica de lógica-difusa buscando mejorar los transitorios de la temperatura promedio de empaletado en el momento en que la turbina de gas se pasa a control supervisorio, por lo cual se realizaron múltiples pruebas modificando los parámetros del controlador difuso.

Las pruebas realizadas se llevaron a cabo utilizando los páneles de operación diseñados e implantados para los sistemas de control y que fueron descritos la sección 2.6 del capítulo n

El procedimiento de prueba consistió en seleccionar la técnica de control difuso para la TG en el pánel principal del CSG. Posteriormente, realizar el arranque de la TG1, sincronizarla y llevarla a carga mínima (4 MW). Mediante demandas de carga por parte del operador llevarla a 10 MW y 40 MW. Una vez estabilizada en 40 MW, pasarla a control por temperatura.

Para evaluar el desempeño del control de temperatura se empleará el índice de desempeño normalizado correspondiente a la integral del valor absoluto del error (IAE por sus siglas en inglés).

El controlador difuso por temperatura modifica la rapidez de cambio de potencia eléctrica (MW/min) de acuerdo a los valores del límite de temperatura y la temperatura promedio de empaletado.

Los parámetros finales del CLD con los cuales se obtuvieron las gráficas presentadas a continuación, corresponden a los establecidos en el punto 5.4 del capítulo 5.

La figura 5.16 presenta el desempeño de la rapidez de cambio durante las pruebas de control convencional y difuso para la turbina de gas.

81


TI-w

Figura 5.16 Rapidez de cambio de potencia eléctrica

En la figura 5.17 se presenta la respuesta obtenida mediante el CLD para la temperatura promedio del empaletado. La gráfica presenta un acercamiento a partir del punto en donde se inicia la operación en control por temperatura.

Figura 5.17 Temperatura promedio del empaletado (convencional vs. difuso)

82

Se describen conjuntamente las respuestas observadas en las figuras 5.16 y 5.17 ya que la primera conduce a la segunda.

Como se observa en la figura 5.16, la acción del CLD de temperatura al momento de entrar en control supervisorio es inversa a la respuesta del control convencional, esto para evitar incrementar repentinamente la rapidez de cambio y produzca que la referencia y la potencia eléctrica se incrementen de igual modo, lo que ocasiona que también la temperatura de empaletado se incremente.

Como se observa en la figura 5.17, con el CLD es menor el sobretiro en la zona transitona respecto a la respuesta convencional.

Después de este transitorio, ambos tipos de control logan estabilizar y mantener una respuesta igual hasta el final de la prueba, como se aprecia en la figura 5.17.

Se calculará el M E para la temperatura promedio del empaletado en la zona de transitorio [4300 ~ 4700 seg] y en la zona estable [4700 - 5000 seg].

Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 5.9.

Tabla 5.9 Índice iAE para el error de temperatura promedio del empaletado

INDICE DE DESEMPEÑO IAE con CSG convencional "" Transitona

IAE con CSG difuso

Estable

En la figura 5.18 se muestra el índice M E para la zona transitoria y en la figura 5.19 para la zona estable.

Se observa que para ambas zonas, el que presenta menor error es el difuso, aunque la diferencia entre el convencional y el difuso es pequeña. En la experiencia obtenida durante el desarrollo de las pruebas, se apreció que es dificil que el CLD por temperatura aporte una mejoría en funcionalidad mayor a la indicada en la tabla 5.8, con respecto al control por temperatura convencional. Esto es debido a que el rango de operación de estos controladores es muy limitado (diferencia igual o menor de 11 OK entre el límite de temperatura y la temperatura promedio de empaletado). Por lo tanto, se concluye que el desempeño del CLD es adecuado y reproduce los resultados obtenidos con el control convencional; sin embargo, la sustitución del control por temperatura convencional por técnica difusa puede no ser justificable.

83

CaDítulo 5 Presentación de resultados

Figura 5.18 Índice IAE para el error de temperatura promedio del empaletado en la zona transitoria.

,. . . . .

', T .

Figura 5.19 Índice IAE para el error de temperatura promedio del empaletado en la zona estable.

84


5.3.2 Prueba 2: Control lógico difuso (CLD) por presión estrangulada para TV

Para el CSG fue necesario implantar un lazo de control por presión estrangulada para la turbina de vapor. El objetivo del control por presión estrangulada se estableció en el punto 3.3 del capítulo 3.

De igual manera que para el CLD de temperatura, para el caso de la turbina de vapor se implantó un CLD por presión para sustituir la curva de caracterización convencional con la cual se calcula la rapidez de cambio de la potencia eléctrica.

El procedimiento de prueba consistió en seleccionar la técnica de control difuso para la TV en el pánel principal del CSG. Posteriormente, realizar el arranque de TG1 y TG2, sincronizarlas y llevarlas a generar I O MW. De manera paralela, llevar a TGl y a TG2 a 40 MW e iniciar el rodado de la TV, sincronizarla y generar carga minima (10 MW). Cuando la TV se estabiliza en 10 MW, TG1 y TG2 en 40 MW, se lleva a la TV a una generación de 40 MW. Finalmente, cuando los tres sistemas están en 40 MW se pasan a control supervisono.

Para evaluar el desempeño de la presión de estrangulamiento se empleará el índice de desempeño normalizado correspondiente a la integral del valor absoluto del error (IAE por sus siglas en inglés).

El CLD por presión modifica la rapidez de cambio de potencia eléctrica (MWimin) de acuerdo a los valores de presión estrangulada, su punto de ajuste y su caracterización (BIAS).

De la misma forma que para el CLD de temperatura, también se realizaron múltiples pruebas para el CLD de presión. Los parámetros finales del CLD de presión con los cuales se obtuvieron las gráficas presentadas a continuación corresponden a los establecidos en el punto 5.4 del capítulo 5.

La figura 5.20 presenta el desempeño de la rapidez de cambio durante las pruebas de control convencional y difuso para la turbina de vapor.

85

CaDitUlo 5 Presentación de resultados

YrE-mr,

Figura 5.20 Rapidez de cambio de potencia eléctrica

En la figura 5.21 se presenta la respuesta obtenida mediante el CLD para la presión de estrangulamiento. La gráfica presenta un acercamiento a partir del punto en donde se inicia la operación en control presión estrangulada.

-8u m í.m rn 6m m m

-Re

Figura 5.21 Presión estrangulada TV (convencional vs. difuso)

86


Se observa que en el momento en que se da el comando para pasar a control supervisono a la TV, punto 1, la evolución de la presión de estrangulamiento tanto en convencional como en difuso es muy aproximada, esto es debido a que el CLD mantiene la misma tendencia de la rapidez de cambio de potencia eléctrica, como se observa en la figura 5.20; sin embargo, del punto 2 al punto 3, el CLD no logra ajustar correctamente la rapidez de cambio de generación de potencia eléctrica y se presentan variaciones apreciables en los valores de presión estrangulada entre ambos casos. Esto es debido a que en el diseño del CLD había que considerar tres variables de presión, por lo que si se modificaban las reglas difusas para ajustar la respuesta en cierto rango se producían desajustes en otras zonas. Sin embargo, esta fue la respuesta que mejor se obtuvo a través de la implantación del CLD de presión.

Como parámetro de comparación entre las dos técnicas de control, se calculará el IAE para la presión estrangulada desde el momento en que se opera en control supervisono @unto 1 en la figura 5.21).

Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 5.10.

Tabla 5.10 Índice IAE para el error de presión de estrangulamiento

h I C E DE DESEMPEÑO (PUNTO DE AJUSTE - PRESIÓN ESTRANGULADA)

ME con CSG I IAE con CSG difuso convencional

645.8 I 633

En la figura 5.22 se muestra el índice IAE.

mo- -

Figura 5.22 Índice IAE para el error de presión de estrangulamiento

87


De nueva cuenta, el controlador difuso presenta el menor error; sin embargo, el desempeño global observado en el desarrollo de las pruebas nos hace llegar a la misma conclusión que para el controlador difuso por temperatura para la TG: en la etapa final y de acuerdo con el objetivo del control supervisono generalizado, el controlador difuso por presión estrangulada aporta una pequeña mejoría en funcionalidad con respecto al control convencional por presión. Sin embargo, se debe aclarar que en los dos casos se consigue lograr el objetivo final del control supervisono, la máxima generación de potencia eléctrica posible de una manera eficiente y segura.

88

CAPITULO 6 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS

Se presentan los comentarios correspondientes a los resultados finales obtenidos de la comparación del desempeño del control supervisorio convencional y el control supervisorio difuso. Se concluye qué tanto se mejora la aplicación utilizando la técnica basada en lógica difusa, si al final es justificable o, en su caso, si se obtienen los mismos resultados que con la técnica convencional. Como perspectivas de este trabajo se sugieren nuevos esquemas que pueden ser aplicados al mismo.

6.1 Conclusiones

En este trabajo se desarrolló un sistema de control supervisono generalizado para centrales de generación de ciclo combinado.

Fue necesario implantar el modelo de la turbina de gas 2 en el simulador de la CGCC original debido a que para el trabajo se especificaron pruebas integrales de todos lo sistemas de la CGCC, lo cual representó una aportación que mejoró el alcance del simulador basado en este modelo.

Por otro lado, se realizó el cambio de plataforma de simulación de los sistemas que integran la CGCC debido a que el sistema original programado en lenguaje C++ con una versión de Windows 98, presentaba muchas limitaciones, como por ejemplo el no poder realizar pruebas integrales a los sistemas, visualización de variables de proceso y sus tendencias sólo para un sistema a la vez, forma de ejecutar los comandos a través de letras y caracteres que en varios comandos requena la activación simultánea de dos teclas, etc. Todo esto hacía que el ambiente de presentación y pruebas del sistema original no fuera “amigable” a la persona que desarrollm’a las pruebas de control.

Bajo la nueva plataforma de simulación (LabWindows/CVI), se pueden operar los sistemas individualmente o de manera integral a través de páneles de operación fáciles de accionar mediante botones que ejecutan los comandos a realizar en el desarrollo de las pruebas.

Visto desde esta perspectiva, fue necesario realizar actividades adicionales para cumplir con el objetivo de este trabajo, como fue la implantación del modelo de la turbina de gas 2, así como la implantación de las estrategias en control convencional (PID) para incrementar la generación de potencia eléctrica mediante el control de las variables de proceso de temperatura de empaletado (en la TG) y presión estrangulada (en la TV).

De acuerdo con los resultados obtenidos, se demostró que el control supervisono generalizado incrementa la generación de potencia eléctrica de una CGCC mediante las estrategias de control por temperatura de empaletado para las TG’s y control por presión estrangulada para la TV. Este objetivo lo realiza de la manera más segura, confiable y todo en forma automática, sin necesidad de la intervención del personal de operación.

89

Capítulo 6 Conclusiones y perspectivas

En el caso de la operación de una turbina de gas, el control supervisono incrementó en un 2 % la cantidad de generación con respecto al control por retroalimentación de potencia eléctrica. Para el caso de la operación de una TG y la TV, este incremento fue del 2.4 % y para los tres sistemas juntos, el incremento fue del 3.3 %. Estos incrementos en la generación se traducen en un beneficio económico para la central generadora cuando se operan los sistemas en control supervisono.

Por otra parte, se demostró la factibilidad de la sustitución de las estrategias convencionales de control por temperatura de empaletado (TG’s) y control por presión estrangulada (TV) por controladores inteligentes basados en la técnica de lógica difusa, los cuales tuvieron un mejor desempeño de acuerdo con el índice IAE obtenido para cada sistema (ver tabla 5.9 y 5.10). Se realizaron las pruebas a los sistemas en ambos tipos de control concluyéndose que se logró una aportación de mejoría en el desempeño de los controladores difusos en comparación con las estrategias convencionales, aún cuando el rango establecido para la operación de los controladores difusos es pequeño (ver capítulo 3, puntos 3.2 y 3.3); Por lo tanto, el desempeño de los controladores difusos es adecuado y reproducen los resultados obtenidos con las estrategias de temperatura y presión convencionales en lo referente a la generación de potencia eléctrica y seguridad del proceso.

De este modo, se concluye que se cumplió con el objetivo planteado en este trabajo de tesis: lograr la máxima generación de potencia eléctrica mediante la generación automática de los puntos de ajuste de los controladores cuando se realiza una solicitud de carga total de la planta.

6.2 Aportación

La aportación del control supervisono generalizado (CSG), basado en técnicas convencionales de control y de lógica difusa realizado en esta tesis, se destaca en los siguientes puntos:

3 Simplifica la operación de una CGCC, agregando un módulo automatizado de supervisión del proceso en línea.

P Permite tener un arranque total de la planta iniciándose desde el encendido de las bombas de agua de alimentación de los recuperadores, de las TG’s y la TV (arranque en caliente) hasta el encendido de los quemadores auxiliares. Todo realizado en una secuencia previamente establecida.

3 Emplea un control por temperatura para el caso de las TG’s y el control por presión estrangulada para el caso de la TV que permite generar la mayor cantidad de potencia eléctrica.

3 Opera en un rango seguro de temperatura sin activación de alarmas, sin alcanzar valores críticos ya que las variables de proceso involucradas son manipuladas en forma automática.

3 El módulo de software del CSG está realizado bajo un enfoque moderno de la ingeniería de software, caracterizado por ser modular, flexible y de fácil mantenimiento, de tal forma que será posible su implantación con mínimo esfuerzo en controladores comerciales, bajo estándares de programación internacionales.

90

Cauítulo 6 Conclusiones v uersuectivas

Este trabajo representa una aportación al estado del arte de la ingeniería de control porque mejora la automatización mediante la integración de las siguientes Características:

1) Estrategias de control para subir la generación en forma coordinada de las tres unidades (TGl, TG2 y TV).

2) Estrategias de control por variable crítica de proceso: a) Temperatura para la turbina de gas. b) Presión para la turbina de vapor.

3) Implantación de estas estrategias usando el control difuso (reglas de conocimiento).

6.3 Perspectivas

Como perspectivas para el producto obtenido en este trabajo de tesis se encuentran:

> Integrar los páneles de proceso-control, controladores y monitoreo de tendencias para los sistemas de recuperador de calor-generador de vapor y condensados.

> implantar el módulo del CSG en controladores industriales y realizar pruebas integrales en tiempo real con el simulador de la CGCC para evaluar estrategias de control para los sistemas de turbina de gas, turbina de vapor, recuperadores de calor-generador de vapor y condensados.

> Será empleado para validar esquemas basados en tolerancia a fallas.

91

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95

ANEXO 1 PROTOCOLOS DE PRUEBA

Los protocolos de prueba presentados en este anexo corresponden a los establecidos en el documento “Informe técnico final del proyecto 10760: Sistema de control avanzado para centrales de generación”, de la Gerencia de Control e Instrumentación del Instituto de Investigaciones Eléctricas [Sánchez y Rudecino, 19971.

a) Turbina de gas (TG)

1. Se inicia el arranque de la turbina de gas hasta llevarla a la velocidad de sincronismo con el interruptor principal abierto.

2. Se sincroniza la turbina. 3. Estando la turbina en carga mínima (4 MW), solicitar una demanda de generación

de 10 MW. 4. Una vez estabilizada la turbina en 1 O MW, solicitar una nueva demanda de

generación de 40 MW.

b) Turbina de vapor (TV), Rodado en caliente

1. Se inicia el arranque de la turbina de gas hasta llevarla a la velocidad de sincronismo con el interruptor principal abierto.

2. Se sincroniza la turbina de gas. 3. Estando la turbina en carga mínima (4 MW), solicitar una demanda de generación

de 10 MW. 4. Se solicita una nueva demanda de generación a la TG de 40 MW. 5. Con la TG en 40 MW, se solicita una nueva demanda de velocidad a la TV de 3600

rpm. 6 . Se sincroniza la TV y se solicita una demanda de 10 MW. 7. En forma paralela se solicita a TG una demanda de 45 MW y a TV una demanda de

15 MW. 8. Una vez que TV llega a los 15 MW, se encienden los quemadores suplementarios

(demanda de 800 OK).

9. Finalmente, se solicita a TV una demanda de 25 MW.

c) Recuperador de calor-generador de vapor (RCGV) y Sistema de Condensados (COND)

1. Se inicia en condiciones de carga mínima (TG en 10 MW). 2. Se solicita a TG una nueva demanda de 40 MW. 3. Con TG en 40 MW, se sincroniza la TV. 4. Se solicita a TV una demanda de 10 MW. 5. En forma paralela se solicita a TG una demanda de 45 MW y a TV una demanda de

20 MW.

96

Anexo 1 Protocolos de urueba

6 . Se encienden los quemadores auxiliares (demanda de 800 OK).

7. Finalmente, se solicita a TV una demanda de 37 MW.

ANEXO 2 DESCRIPCI~N DE LOS COMANDOS DE LOS PÁNELES DEL CSG

En este anexo se describen los páneles de operación de los sistemas que integran la CGCC. La cantidad y tipo de páneles desarrollados fueron descritos en el punto 3.6 del capítulo 3. En esta sección nos enfocaremos a la función de los comandos que se encuentran en cada panel. Para el caso de las turbinas de gas, solo se presenta el panel correspondiente a la TG2 ya que es idéntico el panel de la TGI .

a) Descripción del panel de operación de la TG2

En la figura A.2.1 se presenta el panel de operación de la TG2

CENTRAL DE GENERACION DE CICLO COMBINADO TIEMFU

CONTROL SUPERVISORIO GENERALIZADO & 1URülW SEOIENCM MOTOREN FLIUU\ V A l V W G INTERRGEN CONTROL CO”UPRl USTA ACTNADA SERYIüO PRESENTE UIERTA E R F W O W

. - -. -j -. -.: .- -.

-; I . . -: --; -! CONTROL AVANCE DETENBON LISlDTG2 TG2MODO A E W O TG2 TEMPERATURA TE2 TE2 SUPERYISORIO SUPERVISORIO SUPERVlSORlO

IN100 DE REBISTROS COululDOS 162 PRUEBA HISTORICOS

Figura A.2.1 Panel de operación de la TG2

En el menú “tipo de prueba” se establecen las condiciones iniciales de la prueba a realizar: arranque, sincronismo, carga mínima y carga base.

98

Anexo 2 Descripción de los comandos de los páneles del CSG

A través del menú “almacenar datos” se almacenan los registros históricos de las pruebas, se pueden almacenar por pares de sistemas o todos lo registros de los sistemas a la vez.

COMANDOS TG2

ARRANQUE: Mediante este comando, el operador inicia el arranque de la turbina de gas. Para este momento se tuvo que haber seleccionado ya el tipo de prueba y si se desea almacenar los registros históricos de la prueba.

SINCRONIZAR: Mediante este comando, el operador sincroniza la unidad cuando ha llegado a las condiciones apropiadas de velocidad (3600 rpm).

DEMANDA-MW: A través de este comando, el operador realiza la solicitud de demanda de generación de potencia eléctrica, la cual introduce mediante la ventana numérica situada en la parte inferior del botón.

AVANCE: Este comando se aplica después de haber introducido la demanda de generación deseada para activar la referencia de generación y se pueda llegar a la demanda solicitada.

CONTROL-MW: Mediante este comando, el operador puede pasar la unidad de control por temperatura a control por potencia eléctrica (MW).

CONTROL-TEMP: Mediante este comando, el operador puede pasar la unidad de control por potencia eléctrica a control por temperatura.

También se cuentan con los comandos que permiten navegar entre los páneles de operación, de controladores y de tendencias de todos los sistemas.

Por otro lado, se tienen las indicaciones mediante lámparas para que el operador vea la activación de las señales lógicas y pueda saber si el desarrollo de la prueba se está dando de manera correcta.

b) Descripción del panel de operación de la TV

En la figura A.2.2 se presenta el panel de operación de la TV.

99

Anexo 2 Descripción de los comandos de los ~áneles del CSG

CENTRAL DE GENERACION DE CICLO COMBINADO 1lEMW CONTROL CUPERVICORIO GENERALIZADO

& TURBINAEN TURBINAEN INTERRGEN CDNTROL AVWCE RElRDCiSD L l S l D N N M D D D R E W N RODND MLDESINC CERRADO MW N 1R SUPERVISOR10 SUPERVISORID SUPEMSORID

. - . . . .-. I' .-.! -1 -j .-! .-j YDDD SUPERVlSORIO c o w n o s N B E N E M O N

Wiiq :@iz=!Fz7 xai3iT( @GmI( . s N m m : ~ \ DEM-MCTV W - V E L N DEMANDICW-N W D E L M W - N :;o901

COMANDOS P U E U A O O R E S A U > ( I ~ E S 1

y TEMP-OP R4p TEMP op ,EN-]

UIUANDDC QUEUADORESrWXIUdRES 2

~ESESXI ,MJ = B ;in $-

OEM-TEMP-üP2 RAP-TEMPJOPI ~N'ENDiD'Dihn ;a Tc"-I

Figura A.2.2 Panel de operación de la TV

COMANDOS TV Y QUEMADORES SUPLEMENTARIOS

DEMANDA-VEL Mediante este comando, el operador inicia el rodado de la TV introduciendo la demanda y rapidez de velocidad a través de las ventanas numéricas ubicadas en la parte inferior de estos botones. Para iniciar el rodado de la TV es necesario que al menos una TG esté generando potencia eléctrica.

SINCRONIZAR: Mediante este comando, el operador sincroniza la unidad cuando ha llegado a las condiciones apropiadas de velocidad (3600 rpm).

DEMANDA-MW: A través de este comando, el operador realiza la solicitud de demanda de generación de potencia eléctrica, la cual introduce a través de la ventana numérica situada en la parte inferior del botón.

AVANCE: Este comando se aplica después de haber introducido la demanda de generación deseada para activar la referencia de generación y se pueda llegar a la demanda solicitada.

1 o0

Anexo 2 DescriDción de los comandos de los uáneles del CSG

TV-SUPER A través de este comando se pasa a la TV a control supervisono. Para que este comando sea válido, la TV debe estar sincronizada y generando carga mínima, operar en modo automático y no debe haber retroceso por presión estrangulada (TPL).

RECHAZO: Mediante la activación de este comando se realiza el rechazo de la TV de modo supervisono a modo de control por potencia eléctrica.

ENCENDIDO-QPl, ENCENDIDO-QP2: Mediante estos comandos se realiza el encendido de los quemadores suplementarios para incrementar la cantidad de flujo de vapor y poder aumentar la generación de potencia eléctrica de la TV.

DEM-TEMP1, DEM-TEMP2: A través de estos comandos se habilita la condición de introducir un nuevo punto de ajuste de temperatura para los quemadores suplementarios, el cual se realiza mediante las ventanas numéricas ubicadas en la parte inferior de estos comandos.

AVANCE-QPl, AVANCE-QP2: Con estos comandos se habilita la referencia de temperatura para llegar al valor solicitado.

Se cuentan con los comandos que permiten navegar entre los páneles de operación, de controladores y de tendencias de todos los sistemas, así como con las indicaciones mediante lámparas para que el operador vea la activación de las señales lógicas y pueda saber si el desarrollo de la prueba se está dando de manera correcta.

c) Descripción del panel de operación del CSG

En la figura A.2.3 se presenta el panel de operación del CSG.

COMANDOS DEL CSG

Se tienen los comandos para el arranque automático de las unidades de generación:

ARRANQUE-TG1: Con este comando se realiza el arranque automático de la TGI el cual lleva a la unidad a la sincronización, toma de carga mínima y generación hasta 10 MW.

ARRANQUE-TG2: Con este comando se realiza el arranque automático de la TG2 el cual lleva a la unidad a la sincronización, toma de carga mínima y generación hasta 10 MW.

ARRANQUE_TV: Con este comando se realiza el arranque automático de la TV iniciando el rodado de la unidad, su sincronización y llevándola a generar carga mínima (10 MW).

DEM-CARGA-CSG: Con este comando se habilita la introducción de la demanda global de la planta a través de las ventanas numérica ubicadas en la parte inferior del comando.

101

Anexo 2 Descripción de los comandos de los páneles del CSG

TIEMPO CENTRAL DE GENERACION DE CICLO COMBINADO

pg CONTROL SUPERVISORIO GENERALIZADO

4 DESPLIEGUE DEL ESTADO DE LA PLANTA TURBINA DE GAS 1

TURBIN4 SECUENCIA MOlOREN F M VblVsMIG INlERRGEN AVbNCE DElENUON USTOTGl TGi MOO0 R E W l G 1 USTA eCTNeDe SERVICIO PRESENTE MlERTA ERRADO 1Gi 1Gl SUPEFMSORIO SURRVISORIO SUPEFMSORIO

. - . -'B.: ~ ~. -' ... . I I .. .- -: ~~

TURBINA DE GAS 2 TURBIN4 SECUENCW MOTOREN FLM(I\ V A N W G INTERR GEN AVANCE DETENCION LISTO 162 TGZMOOO REMeZO 162

LISTA A C T N M A S E M O O PRESENTE ABIERTA CERRADO T t 2 162 SUPEMSORID SUPEAVlSORlO SURFMSORIO

.- -_- - - .-: .- - - .- - TURBINA DEVAPOR

TURBIW EN TURBINA EN INTERR GEN CONTROL A V N E RETROCESO LISlOTV NM000 REDNZOTV R O M O VELOESINC CERRADO MW N T R SURRYISORIO SUPERVISOR10 SURRVlSORIO

.- . - ... ~-; -- .-; .-.e. .-: .-: XIMANDOC SISTEMA SUPERVISORIO ARRANQUE AUTO i' VARWLES DE PROCESO

_&RRANOUE-TGl 1 a j / YWdcdaNa a h w TURBINA DE GAS 1 li Omndi dc carga CSG

E E & M U ' l G 1 3 w L R I I ,4Wc+7GlI BECWZOl MBRRIUI(IUE362 I a ' R ~ ~ l d c c . ~ C S G

OEM FMDE2 B R N 0 U E - N I ?fl IGZ-SUSUPERVI #lANC€?TG2 I 'BEMnml

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Demanda CSG TG E c 3 w OcnandaCSGlV m w uwrm - w

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REMJW~&~

hwmn .a TURBINADE GAS 2

TURBINA DE VAWR PARO AUTOMATIC0 , yw l G ~

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V & ¡ d 162 RFü

I¡ ywN W-SURRY( , #fUiC€-N 1 ,EECWZO] &%%!!J

W OESLARGI)

RAPIDEZ DE CAMBIO MW/MIN ?a l G 2 N w.m j l t i n-n vdaridad N .- Rm - Figura A.2.3 Panel de operación del CSG

TG1 SUPERV, TG2-SUPER Con estos comandos se pasa a la TG1 o TG2 a control supe&orio (control por temperatura) mediante el cual se establece una demanda de carga base, que en nuestro caso es de 50 Mw.

TV-SUPERV: Con este comando se pasa a la TV a control supervisono (control por presión estrangulada) mediante el cual se establece una demanda de carga base, que en nuestro caso es de 60 MW.

AVANCE-TG1, AVANCE-TG2, AVANCE-TV: Con estos comandos se habilita la referencia de generación de potencia eléctrica para cada sistema para lograr la demanda de generación solicitada.

RECHAZO: Este comando se tiene para cada sistema de generación y con el cual se pasa a cada sistema de operar en modo de control supervisono a operar en modo de control por potencia eléctrica.

102

Anexo 2 Descripción de los comandos de los uáneles del CSG

Se tiene también la indicación de la rapidez de cambio de potencia eléctrica para realizar el seguimiento del valor mediante el cual se está llevando a la referencia de potencia eléctrica para logar la demanda de generación solicitada.

La indicación numérica de las señales lógicas del estado general de la planta permite al operador observar el desarrollo de las pruebas integrales de los sistemas de la CGCC y determinar si la respuesta de los mismos es satisfactoria.

103

ANEXO 3 ARTíCULO PUBLICADO EN EL CONGRESO LATINOAMERICANO DE CONTROL AUTOMÁTICO (CLCA)

104

. _. . . . .

APORTACIONES TECNOLOGICAS AL CONTROL DE CENTRALES GENERADORAS DE CICLO COMBINADO

Marino Sanchez Parra Miguel A. Martinez Morales

Instiiuto de Investigaciones Eléctricas Division de Sistemas de Control- Gerencia de Control e Instrumentación, 29-I.

Av. Reforma # 113. Col. Palmiru. C.P. 62490. Cuernavaca, Morelos. México.

Rerumcn F.n el mitulo IC dsrtaia 13 imponmaa ) \~miUJxs de Is ¿cnudIcr genersdoris dc cxln ;ombinddo (CGCC) en el ¿3ntc\to inicmac1on~l de Id Industria de pencm~ion clcil~i;~ AI ser iurnparshs con ir'nmalc; t h n i c ~ s cnnicnriunalts Sc descnbe el proceso de ccln combinsdo 3 pmn de su- componcnier principales rurbina dc gas, iurbins de \3pnr y recup7aJa de calor-generador de \3po1 'Tambm 5c dcrmk el \mulador dc CGCC r e d a d o ! la rvolu:ibn del mismo deriachdu,e su impf lmxia mmi> hcrramienu " t i l pars la \didaciRn dr. r,rnicgi3~ dc control ! el der,mnllo dr. tc..miliigi~ d; a n n d del cswdo del sne, mdi;hdosc 10s pnncipdes rcsuIt3ddr dbtcniJ.h Finslmcnte re dcm8hc.n las ;a~3cicr1r11i3s de prxutipor dc i < . n ~ ~ b g ~ de control de C<ICC que rcciinimcnic hm d o inicildos y que esiin basados en el simulador. mcdimie los cuales sc increrncntara la eficiencia, la disp.mihhdad ) la rcnishilidad de una CUCC Cop)righl Q 2004 Il.ilC

Palabras clave: Ceiitr3h gr.nendora\ dr. iiAo combinado, iurbna de gas, turbina de vapor rc.;upcrsdor dc ah, simulador, ermicgiar de conuol. conlrol ~ u p t ~ i ~ i i r i o gener31i7ado

1. INTRODUCCION Las Centrales Generadoras de Ciclo Combinado (CGCC) se han convertido en el modo dominante de la nueva generación del mercado mundial de centrales de generación eléctrica. Estas unidades son requeridas frecuentemente por ser muy flexibles en su forma de operar, ya que arrancando una turbina de gas (TG) y sincronizándola a la red eléctrica, es posible en pocos minutos iniciar la producción de electricidad, sumbndole en el corto plazo la producción a cargo de una turbina de vapor (TV). Las unidades pueden llevarse rápidamente a niveles de carga intermedia, carga base o carga pico, y de ser necesario iniciar la reducción de la producción a valores intermedios e incluso lograr en forma segura el paro parcial o paro total de la central. La eficiencia global tipica de las CGCC es mayor de 50% y algunos en diseños modernos llegan al 60% o mas, al decir de los fabricantes. En la figura 1 se muestra el diagrama esquemático simplificado de una CGCC típica, en el que se puede apreciar que la TG acciona a un generador eléctrico y un compresor, entregando los gases de escape a un Recuperado1 de Calor-Generador de Vapor (RCGV) el cual produce vapor sobrecalentado que se utiliza para accionar una TV con otro generador eléctrico. Existen varios tipos de arreglos de los equipos mencionados, desde el llamado de un eje (en el que se combinan la TG, la TV y el generador en un solo eje), pasando por el arreglo tipico de dos TG, dos RCGV y una TV (conocido como arreglo de 2x1) o incluso el menos usual de 3x1 formado por 3 TG, 3 RCGV y una TV. También existen diseños complejos formados por mejoras varias TG descargando el calor de escape en un

RCGV común, o RCGV dotados de diversos domos y recalentadores. AI compararse con una Central Térmica convencional (o planta de vapor convencional) se pueden apreciar algunas ventajas de la CGCC (0~~11,1999):

Alta eficiencia, mayor que 50% Menores costos de inversión Menores requerimientos de agua (menos de la mitad de un planta de vapor) Mayor flexibilidad de operación Operación más sencilla, que requiere menos personal Bajo impacto ambiental

2. DESCRIPCION DEL PROCESO

La Cenbal de Ciclo Combinado recibe este nombre debido a que transforma la energia calonfica de los gases de la combustión a energia eléctrica mediante el empleo de dos ciclos termodinámicos: el Brayton y el M i n e , conjugbndose ambos ciclos para obtener mayor eficiencia en el proceso de transformación de energía Para el caso considerado, el proceso consiste en generar energia por medio de dos TG y una TV. Las dos TG son idénticas, por lo que se describid el proceso para una de ellas. La energía calorifica del combustible (gas natural o diesel) se convierte a energia térmica mediante la oxidación que se realiza en la cámara de combustión, esto es una reacción química entre el oxígeno del aire que inyecta el compresor y el combustible; los gases producto de esta combustión pasan a la turbina, haciéndola girar a 3600 rpm, la flecha de ésta se encuentra acoplada al compresor y al generador para producir la energia eléctrica.

El gas que sale de la TG conserva un alto contenido de energia calorifica que ya no se puede aprovechar en la lurbina; con el fin de que ésta no se pierda, el gas se hace pasar por un sistema de recuperación de energia (el RCGV) en donde el agua toma el calor del gas y se convierte en vapor para fmalmente impulsar otra turbina, en este caso de vapor. El agua y el vapor forman un ciclo cerrado al cual únicamente se agrega agua (llamada agua de repuesto) para compensar las fugas, purgas y venteos que se presentan en el proceso; para describirlo iniciaremos en el condensador.

sz 5,

Q --- , e &I_

Figura 1. Diagrama simplificado del proceso de ciclo combinado.

El liquido que sale del condensador se denomina "condensado" y se envia al dearcador para retirar los gases incondensables con la ayuda de un suministro de vapor conocido como vapor de presurización, este equipo cuenta con una linea de vente0 para disminuir la presión acumulada En el RCGV se realiza la transferencia de calor de los gases al agua Este equipo consiste de cuatro etapas de calentamiento separadas fisicamente e integradas en la misma c a r c a : el evaporador de baja presión (7), el economizador (6), el evaporador de alta presión ( 5 ) y el sobrecalentador (4). La zona de menor temperatura se localiza en la parte superior del RCGV, aqui el agua procedente del deareador se precalienta para retornar al mismo y seguir hacia el tanque de agua de alimentación en el deareador (IO); a partir de este punto se le c o n w como agua de alimentación que pasa al eurnomizador del recuperador (6), en donde es transformada en vapor y este enviado al domo de alta presión (8). A partir de este punto, para seguir transformando el liquido a vapor se envía al evaporador de alta presión y de ahi pasa nuevamente al domo w n mayor contenido de vapor. El vapor saturado sale por la parte superior del domo dirigiéndose al sobrecalentador, que es la zona de mayor temperatura, ya que es aqui donde llegan los gases de

escape de TG directamente Adem& existe otra sección de combustión llamada quemadores suplemenfarios (QS), que se usan para incrementar la temperatura del vapor sobrecalentado y pan obtener mayor producción de vapor para la turbina de vapor que a su vez incrementa la generación de potencia eléctrica Es decir que los QS incrementan la eficiencia de la CGCC. Con el fin de controlar la generacion a cargo de la TV se encuentra una linea de vapor sobrecalentado que no pasa por ésta, y va directamente al condensador por medio del elemento fmal conocido como bypass principal (BPP) (14). El BPP de la CGCC incrementa la seguridad y flexibilidad de la operación ya que (a) ante una salida de operación inesperada (disparo de TV) el BPP canaliza de inmediato todo el vapor producido directamente al condensador, y (3) cuando la TV se encuentra fuera de servicio la central puede operar con las TG en ciclo abierto debiéndose restringir la cantidad de energia generad& labor que realiza el control. De otra forma el vapor que deja la turbina pasa al condensador (15) y asi completa su ciclo. Con el fin de que el vapor de escape de la TV pase a la fase de liquido, se hace pasar agua H a (conocida como agua de circulación) procedente de una t o m de enfriamiento hacia el condensador, siendo el nivel y el vacio en el condensador las variables mas importantes en este sistema (Sanchez et al.,1994).

3. SIMULADOR DE LA CGCC

Importancia.- Ante el incremento en la demanda de modernización de los sistemas de control basados en tecnologia electrónica analógica, las herramientas requeridas para el diseño de los modernos sistemas de control digital han evolucionado, apoyadas en gran medida en herramientas cornputacionales cada vez m& poderosas. Una herramienta que ha sido ampliamente utilizada en la Gerencia de Control e Instnimentación (GCI) es la representación matemática del comportamiento dinámico de la planta real, que incluye las estrategias de control y su emulación en un sistema digital. Esta herramienta, que en lo sucesivo llamaremos simulador, se compone de tres entidades fundamentales: la representación matemática de los modelos (proceso + control), la información que define el estado operativo de cada proceso y un medio ambiente que permite la realización de eventos emulados.

El alcance del simulador hace posible: i) emular el comportamiento de uno o varios procesos, ii) evaluar los esquemas originales de control y las modificaciones (previamente estudiadas) que producen mejoras en las estrategias de control; ante diferentes tipos de excitaciones y diversos escenarios de operación. iii) familiarizar al ingeniero con la dinámica y respuestas tipicas del proceso creando una base de conocimiento útil para ser transferida y aplicada en el desarrollo de estrategias de control inteligente.

Antecedentes.- El simulador fué desarrollado “para la ejecución de los modelos matemáticos del proceso de ciclo combinado y de las estrategias de control, incluyendo el ajuste paramétrico de los mismos y el manejo y desarrollo de eventos ante diversos escenarios de operación” (Sánchez y Rudecino, 1997). Los modelos matemáticos del proceso de ciclo combinado utilizados para el simulador son los realizados por Delgadillo y Fuentes y corresponden a las turbinas de gas, turbina de vapor, recuperadores de calor-generadores de vapor y el sistema de condensados de una CGCC de tipo 2x1, representados por ecuaciones algebraicas no lineales y ecuaciones diferenciales ordinarias (Delgadillo, 1996). La primera versión del simulador que integró los modelos de los procesos mencionados anteriormente fue implantada en una computadora personal 486 compatible con IBM, bajo el sistema operativo DOS (Sánchez y Rudecino, 1997). Las estrategias de control implantadas fueron versiones mejoradas de las originales, que se utilizaron en los modelos individuales de TG, TV y Sistema de condensados, durante las pruebas de simulación realizadas en el desarrollo de los sistemas de control distribuido de dos CGCC propiedad de la Comisión Federal de Electricidad (CFE): i) “CGCC Dos Bocas” (Chávez y Delgadillo, 1990), (Sánchezy Delgadillo, 1991 j. ii) “CGCC Gómez Palacio” (Chávez y Diaq 1993). (Garduño y Sánchei 1995), (Sánchez et al, 1996).

Beneficios: La experiencia nos ha mostrado que la realización de pruebas de simulación antes del comisionamiento y puesta en servicio de un nuevo sistema de control permite:

validar las estrategias de control nuevas o modificadas, identificando errores u omisiones, y obteneniendo una sintonización previa. Evaluar los sistemas de protecciones emulando fallas de la planta y obtener un conocimiento heuristic0 de la dinámica del proceso con el control.

Caracteristicar actuales y arquitectura.- La siguiente generación del simulador corresponde a un cambio de plataforma computacional y ambiente de software (recientemente realizado), ya que los programas fueron implantados en PC Pentium Ill y se ejecutan en el ambiente de Labwindows’ CVI.

Las caracteristicas operacionales del simulador son: I ) Solución de ecuaciones algebraico-diferenciales. 2) Modificación en linea de los parámetros de los

modelos. 3) Manejo de perturbaciones programadas. 4) Presentación de resultados en pantalla o impresora. 5 ) Desplegado en pantalla: numérico y gráfico. 6 ) Registro de resultados en disco duro. 7) Simulación permanente y paro forzado. 8) Uso del sistema operativo WINDOWS 98 (o sup). 9) Programación en lenguaje C.

EJECUTIVO DE CIMULACIDN Y CONTROL DEL SPP

4

Fig. 2 Arquitectura funcional del ejecutiva del simulador de la Central de Generacián de Ciclo Combinado (SPP sistema programática de pruebas).

La arquitectura está basada en módulos funcionales que desarrollan tareas especificas (grupo de programas) que se ejecutan secuencialmente. La ejecución de los programas está organizada por una función principal que coordina a las funciones del ambiente de pruebas: interface de operación, generación de archivos históricos, selección y ejecución de comandos, etc., y de los modelos del proceso: turbinas de gas, turbina de vapor, recuperador de calor-generador de vapor, sistema de condensados; y los modelos del control como se muestra en la figura 2.

Modelos dinámicos del proceso de la CGCC: Este módulo está formado por 6 submódulos, de los cuales 5 corresponden a los modelos del proceso de ciclo combinado mientras que el sexto corresponde a la función que coordina la ejecución de los modelos de proceso, como se muestra en la figura 3.

Fig. 3 Arquitecnira funcional del mádulo de modelos del proceso de la Central de Generación de Ciclo Combinada.

Modelos de control de la CGCC: El módulo contiene los modelos de control del proceso: TG, TV, RCGV y SC; el programa coordinador de la ejecución de los modelos de control y una biblioteca de wntrol común a todos los modelos (figura 4).

Fig. 4 Arquitectura funcional del módulo de modelos de control de la Cenval de Generación de Ciclo Combinado.

Valores iniciales de proceso y control.: En este módulo se establecen valores de las condiciones iniciales de las variables de proceso y del control para los diversos escenarios de pruebas: arranque, sincronización y generación de potencia eléctrica. La figura 5 muestra la estructura funcional de este módulo.

Fig. 5 Arquitectura funcional del módulo de valores iniciales

4. DESARROLLO DE INFRAESTRUCTURA BASADA EN EL SIMULADOR

influenciados por las experiencias obtenidas en los proyectos de desarrollo de los sistemas de control en dos CGCC, se realizaron los siguientes uroyectos: - . .

“Aplicación de Redes Neuronales Artificiales al control supervisorio de turbinas de gas” en el que se desarrolló un Sistema Supervisorio de turbina (Sanchez y Parra, 1995) y un controlador de velocidad para una TG modelo W501, basado en Redes Neuronales Artificiales (Parra, 1996). “Aplicación de algoritmos de control moderno al control de turbinas de gas” mediante el diseño de un Controlador robusto H, de velocidad y potencia eléctrica de una turbina de gas W501, basado en un esquema conmutativo (Gutiérrez, 1996). “Evaluación de estrategias de control convencional” para la automatización de la operación de TG, TV, RCGV y sistema de condensados (Sánchez, 1997).

. “Desarrollo de sistemas de control moderno para centrales de generación” en el que se aplicaron técnicas de inteligencia artificial basadas en lógica difusa para el control de velocidad y de generación de potencia eléctrica de una TG, incluyéndose la utilización de redes neuronales artificiales para la sintonización de los controladores (Sanchez, et al., 2002).

5. NUEVAS APLICACIONES BASADAS EN EL SIMULADOR

5.1 Control supervisorio generalizado para centrales de generacion de ciclo combinado

Importancia.- En el contexto actual de la tecnología de control y automatización es posible conceptualizar a los sistemas de control de procesos como una pirámide, equivalente a un esquema genérico de conirol jerárquico de tres niveles. En el nivel inferior se ubican los sensores y actuadores (señales de entradas y salidas fisicas), en el nivel intermedio se ubica al control regulatorio directoy control de protecciones delproceso y en el nivel superior una capa de conirol supervisorio, CUYO objetivo en una CGCC consiste en simplificar y hacer más confiable la operación, incrementando la eficiencia global de la central. Lo anterior redunda en una mayor disponibilidad y rentabilidad.

Antecedentes- El control coordinado instalado en la central de ciclo combinado Gómez Palacio en México, es el antecedente inmediato del control supervisorio generalizado para CGCC propuesto (Sáncbez y Castelo,1996).

Los objetivos principales del Control Coordinado son: Lograr la operación óptima de la Central de Ciclo Combinado

(a) Comandando el arranque de toda la planta. (b) Generando la máxima cantidad posible de potencia eléctrica.

Para lograr lo anterior el operador debe introducir una demanda de carga total de la planta mediante una interface-humano-maquina (IHM).

El Control Coordinado cumple las siguientes tareas: 1) Ejecución del arranque y paro ordenado de la planta. 2) Su~ervisión de:

(i) la aceleración y sincronización automática de las Turbinas de Gas y la Turbina de Vapor. (ii) el estado de planta.

3)Generación de los puntos de ajuste para la distribución de la potencia eléctrica generada por las turbinas de gas y la turbina de vapor. 4) Generación de los puntos de ajuste para el control automático de combustión de los quemadores suplementarios de los recuperadores. 5 ) Activación de protecciones.

Metodología y objetivos.- A la mejora tecnológica del control coordinado se acordó llamarle Control Supervisorio Generalizado (CSG) debido a las caracteristicas siguientes:

. M e & w * > ” . L % d . k i

I

Fig. 6. Diagrama de arquitectura del conuol supervlsoño generalizado.

Ubicación fisica en el nivel superior de la pirámide de automatización, gracias a una alta confiabilidad dependiente de las comunicaciones. Utilización del conocimiento y experiencia de humanos para diseño y pruebas de desarrollo, mediante el empleo de técnicas de inteligencia artificial (lógica difusa, redes neuronales artificiales, sistemas ANFIS). Realización de pNebas de simulación de alcance total, gracias a la disponibilidad del simulador en una plataforma computacional moderna. Incorporación de la detección e identificación de fallas que afecten el nivel de automatización.

5.2 Plataforma de desarrollo para incrementar la eficiencia de una CGCC mediante la reconfiguración del control.

Importancia.- En un proceso de generación de electricidad empleando combustibles fósiles como el gas natural o el petroleo, la eficiencia del proceso es resultado directo de la actividad del sistema de control e impacta directamente a los principales “parámetros de planta” que son: confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad (índice RAM de las iniciales en idioma Inglés de las palabras reliubility, wailability y rnainiuinability) (Schinkowsky, 1999). Es decir que la eficiencia se encuentra directamente relacionada con la confiabilidad Y disDonibilidad del sistema de control, imuactando también al esfuerzo de mantenimiento del I)Ioceso.

Justificación.- Para incrementar la eficiencia global de una CGCC desde el nivel del control supervisorio se proponen dos alternativas: La primera consiste en desarrollar un tratamiento completo de detección, identificación y análisis de las fallas críticas del proceso para diagnosticar la

reconfiguración del control ante la presencia de una falla. Debiéndose entender el término “reconfiguración” en un sentido amplio que aplica a: selección de una estrategia de control alterna que no utilice una variable entregada por un sensor fallado, o modificación de parámetros de sintonla, o simplemente mediante el cambio del nivel de operación de la automatización implantada (por ejemplo de control supervisorio a automático y de automático a manual). La otra alternativa consiste en dotar al CSG de un módulo de optimización basado en técnicas analíticas del estado del arte. En ambos casos la utilización del simulador es esencial

6. CONCLUSIONES

Las centrales de generación de ciclo combinado a la fecha encabezan la preferencia internacional en la instalación de nuevas plantas de generación eléctrica. Esto marca la necesidad de contar con =pos de especialistas capaces de dar mantenimiento y crear mejoras de los sistemas de control y estrategias de control entregados por los fabricantes de los equipos, buscando incrementar la eficiencia y disponibilidad, por lo que resulta imprescindible contar con la infraestructura tecnológica necesaria para realizar tales trabajos. Un simulador de CGCC basado en modelos matemáticos que reproducen en forma aproximada las tendencias reales de las variables de proceso es una herramienta extraordinariamente útil, que se puede perfeccionar constantemente, ya que permite validar y10 modificar las estrategias de control antes de la puesta en servicio, lo que reduce riesgos de dañar componentes y minimiza el tiempo de @abajo. Las posibilidades de desarrollar nuevas estrategias de control del estado del arte y herramientas útiles al personal de operación y análisis de resultados de las centrales se incrementan si se dispone de un simulador con las características descritas anteriormente, que además ha sido validado con aplicaciones reales. Tal es el caso del Control Supervisorio Generalizado basado en técnicas de inteligencia artificial, cuyo objetivo es el mejorar el alcance y la eficiencia lograda con el control coordinado de CGCC.

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