1 control de centrales térmicas sistemas de control de las calderas

CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TÉRMICAS
ÍNDICE DE MATERIAS
1.
INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE
RECIRCULACIÓN. CALDERAS CON CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.1.
CONTROL DE COMBUSTIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1. FORMACIÓN DE LA DEMANDA DE CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2. SISTEMAS DE CONTROL DE COMBUSTIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3. LIMITACIÓN DEL COMBUSTIBLE POR EL AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.4. CONTROL DE COMBUSTIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.5. CONTROL DEL AIRE DE COMBUSTIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.6. CONTROL DE LA CANTIDAD DE EXCESO DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.
CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1. CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR CON
PROTECCIÓN CONTRA IMPLOSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.
CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN . . . . . . . . . 17
2.3.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN
DE UN ELEMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN
DE DOS ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN
DE TRES ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.
CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO.
CALDERAS SIN CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.
CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN
CALDERAS SIN CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.
CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA
CALDERA DURANTE LOS PERIODOS DE
ARRANQUE Y CARGAS BAJAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS TURBINAS DE VAPOR UTILIZADAS EN
CENTRALES TÉRMICAS
4.
SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.
REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA,
INDICE 1
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DE TRANSMISIÓN MECÁNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA
DE TRANSMISIÓN MECÁNICA-HIDRÁULICA.
CORREDERA DE DISTRIBUCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3. REGULACIÓN SECUNDARIA. DISPOSITIVO
DE AJUSTE DE VELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4. REGULADOR HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
39
41
42
4.2.
REGULADORES ELÉCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.
CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.
REPARTO DE LA VARIACIÓN DE POTENCIA DE UN SISTEMA
ELÉCTRICO ENTRE LOS TURBOGENERADORES
QUE TRABAJAN SOBRE ÉL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.
UTILIZACIÓN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LA
REGULACIÓN ELECTRÓNICA DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
8.
PROTECCIONES DE UNA CENTRAL TÉRMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.1.
PROTECCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA) . . . . . . . . . . . . 58
8.2.
PROTECCIONES DE TURBINA: DISPOSITIVOS DE DESCARGA
Y DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1. DISPOSITIVOS DE DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2. DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE BAJO VACÍO . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.3. DISPOSITIVOS DE DESCARGA POR BAJA PRESIÓN DE VAPOR . . .
8.2.4. DISPOSITIVOS DE DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.5. DISPARO POR SOBREVELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.6. DISPARO POR FALLO DE ACEITE DE LUBRICACIÓN . . . . . . . . . . . .
9.2.3. DISPARO POR FALLO DEL COJINETE DE EMPUJE . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.7. DISPARO POR BAJO VACÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.8. DISPARO POR FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR
COMO MOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.9. DISPARO MANUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
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61
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62
62
62
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62
62
62
9.
LOS SISTEMAS CENTRALIZADOS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
10.
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
11.
SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) Y CONTROL
AUTÓMATA LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
12.
SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO (APC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
INDICE 2
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TÉRMICAS
1.
INTRODUCCIÓN
Un factor esencial en la explotación de una central térmica de generación de energía
eléctrica, es la necesidad de seguir los cambios de la demanda de carga del sistema a que está
conectada.
Al aumentar la demanda de carga de un sistema, ha de aumentarse la potencia que las
centrales están generando sobre el mismo. Como la electricidad no se puede almacenar en forma
económica, es preciso producirla al mismo tiempo que se demanda.
El objetivo de la función de control de la central es igualar la producción de energía con
la demanda de carga.
El método más sencillo de control global de la unidad es el modo de caldera sigue a
turbina. En este modo, como su nombre indica, la caldera sigue los cambios de carga que se
inician, en primer lugar, en las válvulas reguladoras de la turbina. Por ejemplo, un aumento en
la demanda de carga hará que el regulador abra inmediatamente las válvulas de control, dejando
pasar más vapor a la turbina. Esto produce un aumento del caudal de vapor y una disminución
de la presión. El sistema de control de la caldera percibe la disminución en la presión del vapor,
y responde aumentando las entradas de combustible, aire y agua a la caldera. A medida que
aumenta el régimen de estas entradas, se recuperará la presión de vapor y se estabilizará en el
punto de ajuste.
Este método se halla todavía en uso en un gran número de centrales térmicas antiguas,
y permite una respuesta rápida a los aumentos de la demanda de carga.
Una modalidad más refinada de control de la unidad, mediante la que es posible una
regulación más estrecha de la presión del vapor, es el modo turbina sigue a caldera. En este
método, se inicia un aumento en la demanda de carga ajustando el régimen de entrada de aire y
combustible en la caldera. Como resultado, aumentará la presión de vapor en válvulas
reguladoras. El controlador de presión de vapor en el sistema de regulación de la turbina percibe
este aumento de presión, y abre las válvulas reguladoras de la turbina para que entre más vapor.
En esta disposición, la turbina actúa como dispositivo regulador de presión para la caldera.
Este método de control, debido a que la caldera responde con relativa lentitud a los
cambios de combustión, limita realmente los cambios rápidos de carga.
Frecuentemente se usa una combinación de los dos sistemas anteriormente descritos,
llamada sistema de control integrado o coordinado para proporcionar el control óptimo en la
unidad. Este método combina los dos anteriores y da una respuesta rápida a los cambios de
carga, con una relativa estabilidad de la presión del vapor.
2.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE RECIRCULACIÓN.
CALDERAS CON CALDERÍN
Estudiaremos el control de calderas con recirculación, es decir, de calderas con calderín.
El principio de funcionamiento de este tipo de calderas se trata en los distintos capítulos
correspondientes al generador de vapor.
En lo que respecta a la regulación, la caldera con calderín y circulación natural presenta
las siguientes características a tener en cuenta:
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- La altura del nivel del agua en el calderín es una magnitud representativa del agua de
alimentación a introducir en la caldera (el caudal de agua debe ser igual al de vapor si se
desea mantener constante el nivel).
- El hecho de que el calderín esté situado después de las superficies vaporizadoras y antes
del sobrecalentador, resulta favorable para la regulación de la temperatura del vapor, ya
que esta disposición hace que las variaciones de caudal de agua de alimentación ejerzan
poca influencia sobre el caudal de vapor.
- Al ser las zonas de sobrecalentamiento fijas (la zona de separación agua/vapor está
Figura 1: Esquema de los controles más importantes de una caldera
perfectamente localizada en el calderín) y predominar en las calderas el calentamiento
por convección, la respuesta natural de la caldera respecto a la temperatura estará ligada
a la temperatura y volumen de los gases de combustión, por lo que no se podrá alcanzar
el set point para cargas inferiores al 40 % o 50 % de la nominal.
- Debido al gran volumen del calderín y de las superficies vaporizadoras, la capacidad
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térmica de la caldera es grande, lo que permite compensar la inercia del sistema ante
variaciones de carga.
Estas calderas emplean, para su regulación, los tipos de controladores expuestos en los
principios básicos de control.
Los cuatro sistemas más importantes en la regulación de una caldera con calderín son las
Figura 2: Formación de la señal de demanda de caldera
representadas en la figura 1 en la que:
R1 es sistema regulador de la presión de vapor o control de combustión.
R2 es sistema de control de la presión del hogar.
R3 es sistema de control de la temperatura del vapor.
R4 es sistema de control del caudal de agua de alimentación.
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2.1.
CONTROL DE COMBUSTIÓN
El objetivo del control de combustión de una caldera es el de satisfacer la demanda de
vapor de la turbina mediante la regulación de la cantidad de combustible y aire introducido en
Figura 3: Sistemas de control de combustión en serie (a) y en paralelo (b)
el hogar, para que en todo momento exista un equilibrio entre producción y consumo,
manteniendo unas condiciones de operación seguras y eficientes.
2.1.1. FORMACIÓN DE LA DEMANDA DE CALDERA
Se utiliza la presión del vapor por ser la variable más representativa del funcionamiento
del sistema, permitiendo al sistema de combustible detectar y anular cualquier desequilibrio entre
las entradas y salidas de la caldera.
Ante un aumento de demanda de vapor de la turbina, el proceso que tiene lugar es el
siguiente:
- Aumenta la apertura de las válvulas de control de la turbina.
- Aumenta el caudal de vapor y se produce una disminución de la presión. Como se verá
más adelante, resulta afectado el nivel del calderín.
- La respuesta del sistema de control a estas variaciones, será producir un aumento del
caudal de agua de alimentación y un aumento del caudal de combustible, provocándose
con ello una liberación de calor suplementaria. Este calor es suficiente para ocasionar un
aumento de la producción de vapor que equilibre la demanda y restablezca la presión.
Aunque la presión de vapor es suficiente por sí sola, para detectar desequilibrios en el
sistema, se suele añadir una segunda variable que haga más rápida la respuesta y que acostumbra
a ser el caudal de vapor configurado como una señal de anticipación (ver apartado de control en
cascada con anticipación en principios básicos de control).
De esta forma se posibilita, durante los cambios de carga, que el combustible y el aire se
adapten a la nueva carga, de la cual el caudal de vapor es una perfecta imagen, sin necesidad de
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esperar a que se produzcan errores de presión, siendo éstos los que originarán un ajuste fino
posterior de la combustión si la cantidad anticipada no fuese exacta.
El diagrama de la figura 2 representa la formación de la señal indicativa de la carga de
Figura 4: Diagrama de un sistema de control posicional
directo
caldera conocida como señal de demanda de caldera. Puede verse cómo a la salida del regulador
P+I, cuya entrada es el error de presión, se le suma la señal de anticipación constituida por el
caudal de vapor.
2.1.2. SISTEMAS DE CONTROL DE COMBUSTIÓN
Existen dos sistemas de control de combustión: sistemas de control en serie (figura 3a)
y sistemas de control en paralelo (figura 3b).
Sistemas de control en serie
En este tipo de sistemas la señal de demanda de caldera origina cambios en el caudal de
aire (variable controlada primaria), que a su vez producen un cambio posterior del caudal de
combustible (variable secundaria).
Este tipo de sistemas se emplea en calderas que necesitan subir carga rápidamente y
bajarla de forma más lenta. Lo contrario ocurre cuando es el combustible la variable controlada
primaria. Este tipo de control está limitado a calderas pequeñas.
Sistemas de control en paralelo
La señal de demanda afecta simultáneamente tanto al combustible como al aire. Es un
método muy común para cualquier tipo y tamaño de calderas.
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El desarrollo de estos sistemas puede realizarse por dos procedimientos fundamentales:
el control posicional directo y el control con mediciones de realimentación.
En el control posicional directo, tal como se puede ver en la figura 4 la señal de demanda
de caldera posiciona directamente los elementos de alimentación de combustible y de aire, y la
única realimentación que existe en el sistema es la de la presión, que modificará la demanda si
Figura 5: Diagrama de un sistema de control en serie con mediciones
la posición de los elementos finales no hubiese sido la correcta. La relación entre aire y
combustible se fija mediante la estación selectora dispuesta para este fin.
En los sistemas de control con mediciones de realimentación, tal como se puede ver en
las figuras 5 y 6, la demanda de caldera o demandas de combustible y aire, se comparan con los
valores reales medidos de ambas variables, siendo los errores entre demanda y valor instantáneo
los que, después de ser tratados en controladores de acción P+I, posicionan los elementos finales
correspondientes.
Los sistemas de medición pueden aplicarse a sistemas de control en serie (figura 5) o a
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sistemas de control en paralelo (figura 6), siendo esta última combinación la más utilizada, al
ofrecer una respuesta más rápida entre cambios de carga, ya que las correcciones de combustible
y aire se hacen de forma simultanea.
Figura 6: Diagrama de control en paralelo con mediciones
2.1.3. LIMITACIÓN DEL COMBUSTIBLE POR EL AIRE
Los sistemas de control que se han visto hasta ahora no garantizan una operación segura
durante regímenes transitorios, en los que fácilmente pueden crearse condiciones de defecto de
aire y por tanto de combustible inquemado y consecuente riesgo de explosión.
Esta situación puede evitarse mediante una estrategia conocida como “de limitación
cruzada”, un esquema de la cual se representa en la figura 7.
Mediante una selectora de máxima y otra de mínima se consigue un efecto de adelanto
de aire respecto al combustible en las subidas de carga y otro de retraso en las bajadas.
El selector de máxima elige como salida la mayor entre las señales de demanda de
caldera y caudal de combustible, utilizándose dicha salida como punto de consigna para el aire.
El selector de mínima lo hace entre la misma señal de demanda y el caudal de aire formando el
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punto de consigna del combustible.
El sistema está ajustado de forma que las señales que llegan a los electores, en
condiciones de carga estable, sean iguales. Cuando la demanda de caldera aumenta, la señal no
puede prosperar a través del selector de mínima pero si a través del de máxima, por lo que el
Figura 7: Diagrama de control en paralelo con medición y limitación cruzada
primero aumenta el caudal de aire y como consecuencia el de combustible. Por el contrario,
cuando la demanda disminuye, el punto de consigna para el aire sigue siendo, a través del
selector de máxima, el valor real del combustible, por lo que no disminuye, pero si lo hace el
punto de consigna para el combustible por el selector de mínima. Con este sistema se consigue
disminuir en primer lugar el combustible y el aire disminuirá sólo después de hacerlo aquel.
2.1.4. CONTROL DE COMBUSTIBLE
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En la figura 8 se representa la disposición más utilizada en Centrales Térmicas con
hogares de carbón pulverizado y que además utilizan fuel-oil como combustible de apoyo.
A la señal de combustible generada como salida del selector de mínima del circuito de
selección cruzada, figura 7, se le resta la señal de caudal total de carbón para producir la
demanda de fuel-oil.
Figura 8: Diagrama de control de combustible
La demanda de combustible se compara con el caudal total de combustible (carbón +
fuel-oil). La señal de error del combustible total que se obtiene se le aplica el controlador P+I
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Figura 9 : Diagrama de control del aire con mando directo
en el regulador principal, cuya salida constituye, a su vez, la demanda para cada molino. Esta
demanda, en los lazos de control de cada uno de los molinos en servicio, se compara con el
caudal de carbón que esté saliendo del mismo, constituyéndose una nueva señal de error, que
será a su vez la entrada del regulador de demanda del molino, que posicionará el elemento final,
que puede ser la compuerta de aire de transporte que se introduce en el pulverizador para
arrastrar el carbón hasta el hogar o el variador de velocidad del alimentador, según el tipo de
molino.
Un tratamiento similar se realiza para la demanda de fuel-oil, controlándose la posición
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de la válvula que alimenta a los quemadores.
2.1.5. CONTROL DEL AIRE DE COMBUSTIÓN
Se distinguirá entre:
- Control del aire con mando directo, empleado en instalaciones en las que las
compuertas de distribución de aire a cada mechero o grupo de mecheros tienen una
posición fija. El control (figura 9) actúa directamente sobre las compuertas de aspiración
de los ventiladores de tiro forzado para conseguir el caudal de aire demandado en
principio, por medio de una señal de anticipación y ajustado posteriormente a su valor
exacto mediante el regulador principal de aire, que actúa sobre el error entre la demanda
de aire y su valor real.
Existe una selectora principal desde la cual se puede actuar manual y
simultáneamente sobre los dos ventiladores y una selectora para mando individual de
cada ventilador con posibilidad de cargar más un ventilador que otro (bias)
- Control del aire con mando sobre las compuertas que suministran el aire a los
quemadores. En estas instalaciones el control principal de aire se efectúa actuando sobre
las compuertas de regulación existentes en los conductos que suministran el aire a los
quemadores. La configuración es totalmente similar a la estudiada anteriormente
necesitándose, además, mantener una presión determinada, normalmente en función de
Figura 10: Oxígeno en función de la carga y pérdidas en función del exceso de aire
la carga, en la impulsión de los ventiladores de tiro forzado.
2.1.6. CONTROL DE LA CANTIDAD DE EXCESO DE AIRE
El control del exceso de aire es importante desde el punto de vista de optimizar el
rendimiento de la caldera. En los capítulos sobre combustión ya se ha visto como es necesario
un exceso de aire para que tenga lugar la combustión completa del combustible. En primer lugar
para conseguir una buena mezcla entre combustible y aire y en segundo lugar para evitar
condiciones de defecto de aire que provocaría una combustión incompleta. El operador debe
poder actuar sobre la señal real de aire, haciéndola mayor o menor, según sea necesario bajar o
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subir la cantidad de aire en el hogar, en función de la medida de oxígeno que corresponda.
La cantidad de exceso de aire necesario es dependiente de la carga de la caldera (figura
10), cuando esta es baja el exceso de aire debe de ser mayor, ya que al ser menor el caudal de
aire su velocidad de salida por los quemadores disminuye y la mezcla aire-combustible empeora.
Figura 11: Diagrama de control del exceso de aire
Al quemar con más aire se contrarresta esta situación. A cargas altas, el exceso de aire puede ser
menor ya que la velocidad es suficiente y en tal caso el exceso debe de aproximarse al valor para
el que las pérdidas de combustión sean mínimas.
Precisamente el hacer óptimo el exceso de aire es uno de los medios más efectivos para
mejorar el rendimiento de la caldera. Por ejemplo, por cada 1 % de reducción de exceso de
oxígeno en los humos, para altos noveles de éste, se consiguen mejoras de rendimiento del 1 %,
aproximadamente, mientras que para niveles de trabajo inferiores al 3 % la misma reducción
origina mejoras del 0.5 %.
Lo ideal es conseguir que el punto de operación sea tal, que la suma de las pérdidas por
combustible inquemado más las ocasionadas por pérdida de calor en los humos, sea mínima,
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trabajando en una zona como la sombreada en la parte derecha de la figura 10.
Los parámetros más usados como imágenes de la cantidad de aire en exceso son el
oxígeno y el monóxido de carbono contenidos en los humos. Ambas medidas dan información
sobre el desarrollo de la combustión y cuando se usan combinadas, proporcionan la
representación más fiel de la misma, utilizándose siempre como medida principal la del oxígeno.
El control del exceso de aire, es el primer paso en la optimización de la relación airecombustible. Con disposiciones como las representadas en las figuras 4 a 8, el operador actúará
Figura 12: Relación entre el CO y el O2 en los humos para distintos
combustibles
a través de una estación selectora, sobre la señal real de aire, haciéndola mayor o menor según
desee bajar o subir la cantidad de aire en el hogar.
El control puede realizarse de forma automática mediante una disposición como la de la
figura 11. El punto de consigna para el oxígeno se obtiene en función de la señal de caudal de
vapor, representativa de la carga, según se indicaba en la parte izquierda de la figura 10. Este
punto de consigna se compara con el valor real del oxígeno medido por un analizador. Al posible
error se le aplica el controlador P+I, en el regulador de exceso de aire, cuya salida se aplica como
un factor de corrección, dentro de unos márgenes dados, al caudal real de aire.
Este controlador del exceso de aire es de acción directa, esto quiere decir que aumentará
su salida, y por tanto el factor de corrección si lo hace el oxígeno. Aumenta así el valor de la
señal de aire corregida que va a actuar sobre el regulador principal del aire, que, como
consecuencia, disminuirá el caudal real y por lo tanto la concentración de oxígeno. Si el oxígeno
disminuyera, ocurriría a la inversa, aumentando al final el caudal real de aire.
El control de exceso de aire realizado a través del oxígeno puede complementarse con
señales procedentes de la medida del monóxido de carbono (CO) contenido en los humos, en
virtud de ciertas características de esta medida que no posee la del oxígeno y que son:
- La medida de CO no se ve afectada de forma importante por las posibles infiltraciones
de aire al hogar o conductos, como ocurre con la de O2.
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- La medida de CO está relacionada directamente con el combustible sin quemar, por lo
que puede utilizarse para comprobar que la combustión es completa, con mayor precisión
que la de O2.
- La cantidad de CO que garantiza que la combustión sea completa está dentro del
intervalo entre 150 y 250 ppm; como se puede ver en la figura 12. Por el contrario, el
contenido de oxígeno en los humos necesario para asegurar una buena combustión es
Figura 13: Control del exceso de aire con influencia del CO
siempre función del tipo de combustible.
En función de estas características se pueden configurar disposiciones como la de la
figura 13, en la cual se introduce una señal al punto de consigna de oxígeno basada en la medida
del monóxido de carbono.
También se puede hacer uso de la medida de opacidad de los humos que salen hacia el
precipitador, que está relacionada con el contenido de partículas de inquemados, aunque es de
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muy baja fiabilidad al depender fundamentalmente del contenido en cenizas volantes.
2.2.
CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR
Muchas calderas industriales trabajan con el hogar a una presión siempre superior a la
atmosférica. Los ventiladores de tiro forzado suministran el aire necesario para la combustión
de acuerdo con las necesidades marcadas por el control del aire dentro del control de
Figura 14: Diagramas de control de presión del hogar
combustión, no existiendo una regulación de la presión del hogar, la cual es función de la carga
y existiendo una protección que dispara el combustible al superar un valor determinado de
presión.
Otras calderas trabajan con hogares en depresión respecto a la atmosférica. En este caso
se utilizan, además de los ventiladores de tiro forzado que suministran el aire de combustión,
otos ventiladores, llamados de tiro inducido, situados después del hogar y que aspiran los humos
originados en él. En este tipo de hogares es necesario controlar la presión en un valor fijo e
independiente de la carga actuando sobre las compuertas de aspiración de los ventiladores de tiro
inducido.
La figura 14a se corresponde con un sistema de control de presión clásico de un
elemento, mientras que la figura 14b se complementa con una señal de anticipación que suele
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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ser la misma que va a los ventiladores de tiro forzado.
2.2.1. CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR CON PROTECCIÓN CONTRA
IMPLOSIONES
Presiones muy por debajo de la atmosférica, pueden originar una implosión del hogar con
los daños consiguientes para la instalación. La causa más frecuente de una situación de este tipo,
Figura 15: Diagrama de control de la presión del hogar con
protección contra implosiones
es un disparo de combustible que produce una brusca disminución de la temperatura de los gases
que hay en el hogar, y como consecuencia, una gran caída de presión. Este efecto puede paliarse
reduciendo la aspiración de los ventiladores de tiro inducido en proporción al caudal de humos
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existente en el momento del disparo. Una disposición posible es la de la figura 15 en la que la
demanda de presión de los ventiladores de tiro forzado, además de utilizarse como anticipación
en el lazo de control durante la operación normal, se emplea como señal representativa de la
carga y por tanto de dicho caudal de humos y a través de una función determinada y del número
de ventiladores inducidos en servicio, originan, en el momento de la pérdida de combustible, una
disminución de su aspiración y un posterior aumento hasta el valor original. La señal que
produce estos efectos se introduce en el control después de las estaciones selectoras de mando,
Figura 16: Respuesta de la presión de un hogar ante un disparo de combustible
por lo oque puede tener efecto aun en el caso de que el control se encuentre en manual.
En la figura 16 se representa la disminución de la presión, en un hogar de carbón
pulverizado, que sigue a un disparo de combustible. La curva para el caso de control sin
protección se representa en trazo grueso mientras que la correspondiente a un control con
protección se representa en tazo fino.
2.3.
CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN
El objetivo del control del caudal de agua de alimentación es el de establecer un
equilibrio entre la cantidad de vapor que sale de la caldera y la cantidad de agua que entra. Una
medida de este equilibrio en las calderas de recirculación, es el nivel del calderín, que debe
mantenerse constante.
Instintivamente parece que dicho nivel disminuirá transitoriamente cuando aumente el
caudal de vapor, sin que el caudal de agua haya tenido tiempo para aumentar. Del mismo modo
parecería que el nivel tiene que aumentar al disminuir el caudal de vapor, sin que el caudal de
agua haya tenido tiempo para disminuir.
En la práctica ocurre lo contrario: un aumento en la demanda de vapor produce una
disminución transitoria de la presión de la caldera que permite una expansión del volumen de
las numerosas burbujas de vapor contenidas en la mezcla agua-vapor de la zona de vaporización,
haciendo que el volumen de agua-vapor aumente transitoriamente, incluso aunque disminuya el
17
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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caudal de agua de alimentación.
De forma similar, una disminución en la demanda de vapor origina un aumento en la
presión de la caldera que hace que se contraigan las burbujas de vapor, con lo que disminuye el
volumen de la mezcla agua-vapor y el nivel disminuirá transitoriamente aunque el caudal de
agua aumente.
El agua de alimentación a la caldera se puede controlar a través de la medida del agua
del calderín, del caudal de vapor y el caudal de agua, consiguiéndose un control más preciso
utilizando los tres elementos de medición a las vez.
2.3.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE UN ELEMENTO
En este caso el control del agua de alimentación a la caldera se controla a través de una
sola medición, la del nivel de agua del calderín. Se utiliza un solo controlador de nivel P+I que
Figura 17: Control de agua de alimentación de
un elemento
actúa según el error y sobre el elemento final de control con acción integral, para anular el error
residual propio de la acción proporcional, pero que en este caso amplifica los efectos producidos
por la dilatación y contracción de las burbujas ya mencionada. En la figura 17 se representa un
control de este tipo, utilizado normalmente en pequeñas calderas que trabajan con cargas muy
estables.
18
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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2.3.2. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE DOS
ELEMENTOS
Se trata de un control con señal de anticipación, en el que el nivel se mide como en el
control de un solo elemento, y el caudal de vapor se emplea como señal anticipativa de la
demanda de agua, haciéndole a este seguir sus variaciones.
Con esta configuración, que se muestra en la figura 18 se contrarresta la tendencia a
disminuir o aumentar el caudal de agua, transitoriamente, como consecuencia de la dilatación
Figura 18: Diagrama de control del agua de
alimentación de dos elementos
o contracción del volumen de la zona de vaporización, producida por un aumento o disminución
en el consumo de vapor, como ocurre con el control de un solo elemento.
La realimentación de la señal de nivel permite, como en todos los casos en los que se
emplea la anticipación, ajustar el caudal de agua a su valor exacto.
De esta manera, de acuerdo con la demanda de caudal de vapor habrá una aportación
inmediata de agua a través del controlador secundario de nivel.
19
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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2.3.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE TRES
ELEMENTOS
Se puede conseguir un control más preciso utilizando tres señales de control tal como se
muestra en la figura 19
Se utiliza la misma configuración de control anticipativo con realimentación utilizada en
el control con dos elementos. Pero lo que en aquel caso era señal de demanda, aquí se convierte
Figura 19: Diagrama de control del agua de alimentación de
tres elementos
en punto de consigna para comparar con el caudal de agua de alimentación. El error es la señal
que va al controlador que genera la señal de control. Cuando la carga es inferior al 30 %,
funciona el control con un solo elemento y cuando es superior a este valor funciona el control
con tres elementos. La regulación de tres elementos elimina el fenómeno de oscilación del nivel
de agua que se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rápidamente.
20
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TÉRMICAS
ÍNDICE DE MATERIAS
2.4.
3.
CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO. CALDERAS
SIN CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.
CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN CALDERAS
SIN CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2. CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA CALDERA
DURANTE LOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJAS . . . . 32
INDICE 1
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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2.4.
CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR
El objeto de este control es el de mantener en un valor constante la temperatura del vapor
a la salida de la caldera. Generalmente el conjunto de elementos de sobrecalentamiento en una
caldera presenta una característica correspondiente a una trasmisión de calor por convección, lo
que implica que el calentamiento del vapor y por tanto su temperatura de salida aumentará con
la carga (más caudal de humos, más caudal de vapor). Así que será necesario un enfriamiento
importante del vapor para mantener la temperatura deseada, TS, constante cuando se funcione
a cargas altas, mientras que a cargas inferiores será necesario aportar calor para alcanzar dicha
temperatura deseada, según se muestra en la figura 20.
Figura 20: Característica de un sobrecalentador de convección
El control de la temperatura se realiza mediante diferentes métodos. Los más importantes
son:
- Exceso de aire.
- Recirculación de humos.
- Partición del conducto de humos.
- Quemadores inclinables.
- Atemperación del vapor.
Los cuatro primeros son actuaciones primarias sobre los elementos a que se refieren y
el último, atemperación del vapor, es el ajuste final mediante inyección de agua.
La temperatura del vapor de salida de un sobrecalentador de convección puede
aumentarse, a cargas bajas, disminuyendo la absorción de calor en el hogar mediante un aumento
del exceso de aire de combustión, según se puede ver en la figura 21, dado que el aire en exceso
absorbería calor en el hogar y por lo tanto los humos llevarían más calor e irían a mayor
velocidad, trasmitiendo más calor en las zonas convectivas del sobrecalentador y recalentador.
El método de control de la temperatura del vapor mediante recirculación de humos es
21
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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muy atractivo desde el punto de vista económico y de operación. Consiste en volver a introducir
en el hogar los humos de salida del economizador (normalmente). La recirculación de humos
Figura 21: Modificación de la cantidad de calor en humos
Figura 22: Variación de la absorción de calor por las distintas superficies con la
recirculación de humos
22
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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origina una alteración en la forma en que los distintos componentes de la caldera absorben calor,
sin variar a penas el calor absorbido por la caldera en conjunto. El efecto térmico producido por
la recirculación depende de la cantidad de humos recirculados, del punto de reinyección en la
caldera y de la carga de la misma. En la figura 22 se representan las variaciones en la absorción
de calor con la recirculación introducida en la parte baja del hogar. Esta localización origina una
marcada reducción en el calor absorbido por el hogar mientras que incrementa la absorción que
tiene lugar en las secciones de convección. La absorción total de calor permanece prácticamente
inalterada.
En el caso de regulación por partición del conducto de humos, figura 23a, la trayectoria
de salida de éstos se divide en dos, una de las cuales está ocupada por la superficie de
calentamiento que se desea controlar. La cantidad de calor cedida en ésta, se regula mediante el
movimiento de unas compuertas, que, en función de su posición, permiten una variación en la
distribución de humos entre los dos conductos. Los humos que no pasan por la zona de la
Figura 23: Efectos de la partición del conducto y de la inclinación de
quemadores
superficie que se pretende regular, pasan por la otra mitad, que al estar ocupada a su vez por
otras superficies de calentamiento de vapor, se ven influenciadas necesariamente por la
regulación que se pretende.
El método de regulación mediante quemadores inclinables , modifica la forma en que
el calor es absorbido en el hogar, ya que desplaza verticalmente la zona principal de combustión.
Suele utilizarse en calderas de fuegos tangenciales, se puede ver un esquema en la figura 23b.
La señal de actuación de cada uno de los elementos con los que se produce la regulación
primaria de la temperatura del vapor (caudal de recirculación de humos o reparto del caudal de
humos entre cada uno de los conductos en que se parte el conducto o inclinación de
quemadores), se genera con una configuración en la que el regulador utiliza el error resultante
de la comparación de la señal de temperatura del vapor recalentado con el set point tal como se
muestra en el lazo de control de la figura 24. Es normal introducir una señal que anticipa la
regulación cuando se producen variaciones en la carga, consiguiéndose este efecto mediante un
23
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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derivador situado en la conexión de la señal representativa de aquella. Cuando la señal de error
alcanza un valor próximo al límite de actuación del sistema de regulación de que disponga la
caldera, se permite la entrada en funcionamiento de al atemperación del recalentado. Téngase
en cuenta que esta atemperación del recalentado solamente debe de ser utilizada en caso de
emergencia. Para ello el limitador de máxima, cuando la señal de error alcanza un valor límite
alto, genera una señal digital que deja pasar la seña de control al regulador del caudal de
atemperación. Mientras no se alcance el límite alto, la señal que llega al regulador del caudal de
atemperación es igual a cero.
Figura 24: Diagrama del lazo de control de la regulación de la
temperatura del vapor recalentado
24
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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En la figura 25 se muestra una cadena de regulación de la temperatura del vapor
sobrecalentado con una configuración en cascada. La salida del controlador principal de
temperatura de salida, Ts, se utiliza como set point para la temperatura de entrada, Te. El
regulador auxiliar que controla esta temperatura será el que finalmente actúe sobre la válvula de
atemperación.
La función del lazo auxiliar es la de detectar rápidamente y compensar las perturbaciones
que provienen de los elementos de sobrecalentamiento previos a la zona donde tiene lugar la
regulación.
Figura 25: Diagrama de control de la temperatura del vapor sobrecalentado
25
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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Además se suele introducir una señal anticipativa de la atemperación cuando se producen
variaciones de carga, consiguiéndose este efecto mediante un derivador en la conexión de la
señal representativa de aquella.
Cuando son dos las zonas de atemperación hay que interconectar de alguna manera dos
lazos de regulación similares al de la figura 25, lo que representa ciertas dificultades como, por
ejemplo, mantener cada válvula de atemperación en su zona óptima de trabajo y evitar que, por
Figura 26: Regulación de la temperatura del vapor sobrecalentado con puntos de
consigna en función de las características del sobrecalentador
26
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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ejemplo, una esté totalmente abierta y la otra cerrada.
Existen dos posibles soluciones para estas dificultades: una es que los valores de
consigna de cada regulador, a excepción del que controla la temperatura de salida, se hacen en
función de las características de transferencia de calor de cada sobrecalentador y otra que todos
los circuitos de regulación se conectan en cascada de forma que cada uno elabora el valor de
consigna del que sigue.
Figura 27: Control de la temperatura del vapor sobrecalentado en cascada
27
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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Estas dos variantes se ilustran en los diagramas de las figuras 26 y 27. En la primera de
ellas se representa el sistema el que los puntos de consigna son función de las características de
cada sobrecalentador, pudiéndose apreciar en el diagrama de temperaturas como el
sobrecalentador final presenta una característica de convección y el primario otra de radiación.
Para que el consumo de agua, Q2, de la segunda inyección se mantenga en la zona de
trabajo del regulador y de la válvula, es preciso que el valor de consigna de la temperatura, TS1,
antes de la inyección de agua de atemperación disminuya al aumentar la carga.
Con la solución de reguladores en cascada de la figura 27, la regulación de la última
Figura 28: Sistemas de control de una caldera de paso único
inyección de agua se mantiene en su zona de trabajo manteniendo en un valor constante la
diferencia entre las temperaturas TS1 y TS2 antes y después de dicha inyección. Esto se consigue
sumando una señal fija, representativa de una temperatura determinada, por ejemplo 25 ºC, al
valor de consigna de la temperatura TE2; la suma TE2 + 25 ºC será, a su vez, la consigna para la
temperatura TS1.
Si por ejemplo, la temperatura del vapor de salida TS2, sobrepasa su valor de consigna se
inyectará más agua al atemperador con el fin de que disminuya TE2 y por tanto TS2. A su vez el
punto de consigna TS1 disminuirá en la misma magnitud en que lo haga TE2 lo que obligará a
28
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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inyectar más agua, también en el atemperador 1.
3.
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO. CALDERAS
SIN CALDERÍN
En la figura 28 se representan los principales circuitos de regulación de una caldera de
este tipo. Los controles de combustión de la presión del hogar y de la temperatura del vapor, son
idénticos a los de las calderas con calderín. El circuito R1 regula la presión del vapor controlando
la combustión y el circuito R2 la presión del hogar. En los circuitos de regulación interna se hace
uso del mismo tipo de control para la temperatura del vapor R3, pero el circuito R4 que regula el
caudal de agua de alimentación funciona sobre criterios distintos dada la no existencia de una
medida del nivel de agua. La solución de la figura 29 es una de las más extendidas y consiste en
mantener siempre una relación entre el caudal de agua de alimentación y el caudal de agua de
atemperación.
3.1.
CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN CALDERAS
SIN CALDERÍN
El control del agua de alimentación en este tipo de calderas se caracteriza por una
ausencia del control de nivel, que en las calderas con recirculación suministra la imagen más
representativa de las necesidades de agua. El criterio que se utiliza aquí como base del control
es el de mantener una determinada relación entre los caudales de agua de alimentación y de
atemperación. En este tipo de calderas la variación del caudal de agua de alimentación con
relación a la dosificación de combustible, produce una regulación primaria de la temperatura del
vapor, consiguiendose, por medio de la atemperación, corregir las desviaciones que se produzcan
con relación a la temperatura deseada.
Al ser el agua de atemperación la que en última instancia controla la temperatura, se
dosifica el caudal de agua de alimentación para que, dada su relación respecto al combustible
(carga), el vapor adquiera una temperatura tal que el agua de atemperación, que la va a ajustar
al valor de consigna, se mantenga en un valor que permita a la válvula de atemperación estar en
una posición óptima.
En la figura 29 se muestra un esquema simplificado en el que el regulador del caudal de
agua de alimentación recibe una señal de mando representativa del caudal de vapor multiplicado
por un factor igual a la relación que se desea mantener entre el caudal de agua de alimentación
y el caudal de agua de atemperación.
De esta forma si, por ejemplo, la señal que se aplica al comparador a través del calculador
de relación es del 95 % del caudal de vapor QV existente en ese momento, el caudal de agua de
alimentación QAG será también igual al 95 %, completándose el 5 % restante con el agua de
atemperación.
Este sistema de regulación da generalmente resultados bastante satisfactorios, pero
presenta ciertas imperfecciones durante los regímenes transitorios, imperfecciones que pueden
corregirse mediante la introducción de dos señales representativas de las derivadas del caudal
de vapor y de su temperatura a la salida de la zona de vaporización según se representa en la
figura 30.
29
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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La primera optimiza el comportamiento de la regulación en los periodos transitorios
originados por variaciones de carga, mientras que la segunda proporciona una anticipación en
la respuesta al detectar cambios en la temperatura debidos a alteraciones en la combustión.
Otro sistema típico de regulación del caudal de agua de alimentación en las calderas sin
calderín es el representado en la figura 31 y que constituye una prolongación natural del sistema
de control de la temperatura del vapor de la figura 27, en el que el caudal de la última inyección
se mantiene dentro del intervalo de regulación manteniendo, a su vez, constante la diferencia
entre las temperaturas del vapor antes y después de ella, mediante la regulación e la
atemperación anterior. Este sistema de control puede modificarse en el sentido de que sea el
caudal de agua de alimentación el que mantenga constante dicha diferencia de temperatura.
Figura 29: Principio de control del caudal de agua de
alimentación en una caldera de paso único
30
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
En la figura 31 se ha representado un sistema con una sola inyección de agua de
atemperación situada después de la zona de vaporización. El regulador del caudal de agua de
alimentación recibe una señal de demanda, que es función de la carga, corregida en proporción
al error entre la temperatura TE1 y su valor de consigna.
En los sistemas descritos hasta aquí, el órgano final de regulación está siempre
representado pos una válvula. Ahora bien, en las grandes unidades, con objeto de evitar la
pérdida de carga que aquella provoca, se utilizan bombas de alimentación de velocidad variable.
Figura 30: Control del caudal de agua de alimentación con señales de
anticipación en calderas de paso único
31
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
3.2.
CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA CALDERA DURANTE
LOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJAS
La regulación del agua de alimentación en las calderas de paso único, ofrece una
particularidad durante los periodos de arranque y bajas cargas, consistente en el mantenimiento
de una circulación de agua en el hogar en un valor mínimo de seguridad que mantenga la
refrigeración del metal de los tubos, aunque la carga de la caldera sea inferior a la que
Figura 31: Control del caudal de agua de alimentación en cascada
con el de temperatura en una caldera de paso único
32
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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corresponde a ese caudal, Este caudal mínimo de seguridad se suele fijar entre el 30 y el 35 %
del caudal nominal. La disposición del sistema de recirculación y el principio en que se basa la
regulación del caudal se muestran en la figura 32
El sistema de recirculación utiliza un depósito (botellón) situado a la salida de la zona
de vaporización, que permite separar el agua y el vapor que llegan a él. El agua, que se separa
en el depósito, se hace circular de nuevo hacia el circuito economizador-vaporizadores mediante
una bomba de recirculación y una válvula de regulación situada en la impulsión de ésta.
Figura 32: Circuito de recirculación y su control de las calderas
de paso único
El nivel de agua en el botellón constituye el punto de consigna para el caudal de
recirculación de caldera. Cuando comienza el encendido con el nivel máximo y no hay
producción de vapor, el caudal a través del hogar lo suministra la bomba de recirculación con
la válvula de control abierta al máximo, mientras que las bombas de agua de alimentación no
aportan agua a la caldera y se mantienen recirculando sobre el desgasificador, con objeto de
mantener el caudal mínimo.
33
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
Cuando comienza a producirse vapor, como las bombas de agua de alimentación no
aportan agua a la caldera, el nivel del botellón baja y el control de recirculación cerrará
proporcionalmente la válvula de control y el caudal de recirculación bajará también, y como
consecuencia el caudal a través de los vaporizadores. En este momento será el control del caudal
de agua de alimentación el que detectará esta disminución y aportará agua a la caldera hasta que
la suma de agua de alimentación y la de recirculación completen el caudal mínimo.
Figura 33: Relación entre los caudales de recirculación y de agua de alimentación
A medida que aumenta la producción de vapor se repetirá el proceso anterior, bajará cada
vez más el nivel de este depósito separador, con lo que la recirculación cada vez será menor y
esto hará aumentar el aporte de agua de alimentación a la caldera, llegando un momento que la
recirculación sea nula. Esto provocará la parada de la bomba, y todo el aporte de agua se
realizará mediante las bombas de agua de alimentación.
34
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS TURBINAS DE VAPOR UTILIZADAS EN
CENTRALES TÉRMICAS
ÍNDICE DE MATERIAS
4.
SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.
REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA,
DE TRANSMISIÓN MECÁNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA
DE TRANSMISIÓN MECÁNICA-HIDRÁULICA.
CORREDERA DE DISTRIBUCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3. REGULACIÓN SECUNDARIA. DISPOSITIVO
DE AJUSTE DE VELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4. REGULADOR HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.
37
37
39
41
42
REGULADORES ELÉCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
INDICE 1
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
SISTEMAS DE CONTROL DE LAS TURBINAS DE VAPOR UTILIZADAS EN
CENTRALES TÉRMICAS
4.
SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA
Una turbina de vapor se mueve impulsada por el vapor producido en una caldera. La
expansión del vapor hace girar el rotor de la turbina transmitiéndole una potencia. La turbina va
acoplada mecánicamente a un generador, que transforma en potencia eléctrica, la recibida de la
turbina.
Figura 34: Ejemplo de simulación de carga y descarga de una turbina
Según esto, existe siempre un equilibrio entre, la potencia eléctrica del generador más
las pérdidas, con la potencia aportada por el vapor a la turbina. Este equilibrio se mantiene por
medio de las válvulas de regulación, las cuales, dejan pasar más o menos vapor a la turbina según
su apertura.
35
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
La misión de la regulación de una turbina consiste en posicionar las válvulas de
regulación (las cuales dejan pasar más o menos vapor según su apertura) de acuerdo con la
demanda de energía eléctrica, para lo cual se utiliza la variación del número de revoluciones
como señal primaria de regulación. Hay un intervalo de variación del número de revoluciones
que se corresponde con el recorrido total de la válvula de regulación y en condiciones normales,
supone solamente un pequeño porcentaje del número de revoluciones nominal.
Supongamos que el generador accionado por la turbina suministra energía eléctrica a un
sistema, él sólo, estando sometido a la totalidad de las variaciones de la demanda. En la figura
34 se ha representado el generador por un disco. El disco puede frenarse más o menos mediante
zapatas bajo la presión de un muelle y el grupo turbina-disco adquiere una determinada
velocidad de rotación (por ejemplo la nominal) al ser arrastrado por la turbina accionada por
vapor. Cuando se aflojan las zapatas del freno la energía demandada disminuye por lo que se
produce un aumento de velocidad, y el sistema de control debe de responder posicionando la
válvula de regulación del caudal de vapor más cerrada, de manera que se suministre la potencia
solicitada y mantenga la velocidad nominal.
Si se frena el disco aumentando la presión del muelle, aumenta la demanda de potencia
y disminuye el número de revoluciones, en cuyo caso el sistema de control debe de responder
Figura 35: Disposición esquemática de un regulador centrífugo mecánico de transmisión mecánica
posicionando la válvula de regulación del caudal de vapor más abierta, de manera que se
suministre la potencia solicitada y se mantenga la velocidad nominal.
El disco que hemos descrito anteriormente, provisto de zapatas de freno y accionado por
la turbina, se puede sustituir por un alternador. En este caso la función de las zapatas del freno
la desempeñan los motores que toman energía del sistema, los cuales al ser conectados y
desconectados, producen la variación de la carga del grupo. La posición de las válvulas de
regulación y el caudal de vapor tienen que adaptarse a las variaciones de carga. En este caso
especial la turbina no puede cargarse y descargarse por adelantado sino que la carga o descarga
se deben hacer después de realizadas las maniobras de los motores.
Aprovechando el hecho de que la variación de carga del generador, tiene como
36
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
consecuencia una variación del número de revoluciones, con objeto de automatizar la regulación,
parece conveniente acoplar el accionamiento de las válvulas de regulación con esta variación
de velocidad.
Con este fin se desarrolló el regulador de fuerza centrífuga representado en la figura 35.
Los reguladores empleados actualmente, difieren constructivamente del regulador de fuerza
centrífuga original, pero se conserva, sin embargo, el principio fundamental, que relaciona la
posición de la válvula de regulación con la variación del número de revoluciones.
Para el control de turbina se pueden emplear distintos tipos de reguladores: de fuerza
Figura 36: Curvas de estatismo de un regulador centrífugo
centrífuga (mecánicos e hidráulicos) y eléctricos.
4.1.
REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGA
Los reguladores de fuerza centrífuga pueden ser mecánicos o hidráulicos y transmitir su
acción al elemento final (válvula de vapor) por medios mecánicos, por medios mecánicohidráulicos y por medios hidráulicos.
4.1.1. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA, DE TRANSMISIÓN
MECÁNICA
El regulador mecánico de fuerza centrífuga, es un regulador, basado en un equilibrio
entre la fuerza centrífuga desarrollada por dos masas al girar y la que opone un resorte que se
comprime. Tan como se muestra en la figura 35 está compuesto, básicamente de un husillo (8)
que lleva montados dos pesos centrífugos (2). Este husillo va acoplado al eje de la turbina (6)
a través de un engranaje helicoidal (7).
Cuando el husillo gira accionado por el eje de la turbina, los pesos (2) se desplazan hacia
fuera por efecto de la fuerza centrífuga y se elevan comprimiendo el muelle (1). El regulador
trabaja elevando el manguito (9) cuando aumenta la velocidad y descendiendo cuando
disminuye.
37
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
La fuerza centrífuga y la tensión del muelle están relacionadas entre sí. Mediante el
correspondiente dimensionado de los pesos centrífugos (2) y del muelle (1) se puede determinar
el intervalo de revoluciones correspondiente a la carrera del manguito (H). Esta correspondencia
entre velocidad y desplazamiento del manguito, se puede variar, conservando los mismos pesos
centrífugos del regulador, mediante modificación de las características del muelle: modificación
de la fuerza por milímetro, de compresión del muelle.
En su forma más sencilla el mando de un regulador de fuerza centrífuga se basa en el
empleo de una palanca (4) basculando sobre la articulación fija (3).
En uno de sus extremos va dispuesto el manguito (9) del regulador y en el extremo
opuesto, el husillo de la válvula de regulación (5).
La carrera del manguito (H) corresponde a la carrera de la válvula (V). El regulador
Figura 37: Control de la válvula de vapor mediante regulador centrífugo mecánico de transmisión mecánicahidráulica
puede estar diseñado de tal modo que para un valor de 3000 rpm, la mitad de la carrera de la
válvula coincida con la mitad aproximadamente de la carga. Una modificación de la carga
eléctrica del generador accionado, produce una variación de la velocidad que tiene como
consecuencia una variación de la posición del manguito y finalmente de la posición de la válvula.
El proceso de regulación finaliza cuando la nueva posición de la válvula y el caudal de vapor
resultante, corresponden al nuevo régimen de potencia del generador. Es inevitable que la nueva
posición de la válvula corresponda a una nueva posición del manguito y de las masas y como
consecuencia a una nueva velocidad. Con el empleo del regulador de la figuras 35, cuyas
características, o curvas de estatismo, se muestran en la figura 36, el turbogrupo alcanza una
velocidad de 3100 rpm con marcha en vacío (carrera de la válvula V=0 %) y una velocidad de
2900 rpm para la máxima carga (carrera de la válvula V= 100 % max).
38
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La diferencia del número de vueltas correspondiente al recorrido de la válvula (V),
alcanza en este regulador el valor de 200 rpm.
Si se desea mantener constante este margen de velocidad de 200 rpm, coordinado al
recorrido total de la válvula, pero entre distintas velocidades, por ejemplo de 3200 hasta 3000
rpm, debe aumentarse la tensión inicial del muelle (sin variar su característica). Con ello se
consigue que la posición del manguito (9) del regulador corresponda ahora a un recorrido de la
válvula del 0 % para una velocidad de 3200 rpm y a un recorrido de Vmax = 100 % para 3000
rpm.
La diferencia del número de revoluciones coordinada al recorrido total de la válvula, no
puede variarse regulando la tensión del muelle del regulador. Para ello debe sustituirse dicho
muelle por otro de una característica distinta.
Figura 38: Ajuste de velocidad mediante regulación secundaria
La diferencia del número de revoluciones coordinada al recorrido total de la válvula, se
mide mediante el estatismo o grado de proporcionalidad que se expresa casi siempre en tanto por
ciento y se puede escribir sin error apreciable d(%) = 100(N1 - N2)/NNOMINAL.
El grado de proporcionalidad o estatismo se puede modificar también mediante el
desplazamiento del punto de giro de la palanca del regulador (3) en lugar de actuar sobre la
característica del muelle.
4.1.2. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA DE TRANSMISIÓN
MECÁNICA-HIDRÁULICA. CORREDERA DE DISTRIBUCIÓN
El regulador mostrado en la figura 35, es de transmisión mecánica entre el propio
regulador y la válvula de vapor. Normalmente las fuerzas de regulación que puede vencer un
regulador de fuerza centrífuga de transmisión mecánica son muy pequeñas, y en la mayoría de
39
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los casos sería imposible vencer las fuerzas del vapor, que actúan sobre el obturador de la
válvula, con la simple ayuda de estas fuerzas del regulador. Este es el motivo de introducir la
corredera de distribución.
Se trata de un elemento hidráulico intermedio cuya misión es la de amplificar las
pequeñas fuerzas desarrolladas por el regulador.
Tal y como se puede apreciar en el regulador mecánico de transmisión mecánicahidráulica de la figura 37, partiendo de la posición MBA de la palanca que une el regulador con
el vástago de la válvula, si se produce un aumento de la demanda, será seguida por una
disminución de la velocidad y por tanto de la fuerza centrífuga, se desplazan las masas del
regulador centrífugo hacia abajo (posición de lineas de trazo) la corredera de distribución
también se desplaza hacia abajo desde su posición central de equilibrio. Se libera el paso del
aceite de mando (conexión 3) a la cámara de aceite (1). Simultáneamente se produce una
Figura 39: Formación de la presión de control con un regulador mecánico de transmisión hidráulica
comunicación (conexión 4) entre la cámara de aceite (2) y el drenaje de aceite (5). La presión
del aceite que se encuentra en la cámara (2) decrece, mientras que la presión del aceite que se
encuentra en la cámara (1) crece. El émbolo motriz asciende por la diferencia de presiones del
aceite de mando entre sus caras. El movimiento ascendente del émbolo motriz hace que abra la
válvula de vapor y como consecuencia que aumente la velocidad y se eleve el manguito. La
mayor apertura de la válvula y la posición más alta del manguito, hacen que ascienda la
corredera a su posición central de equilibrio en la cual las conexiones de aceite quedan cerradas
nuevamente. El proceso se repite algunas veces hasta que se alcanza la posición final de
equilibrio y la palanca que une el regulador con el vástago de la válvula queda en la posición
M’BA’, con una mayor apertura de válvula (la correspondiente a la demanda) y una menor
velocidad.
40
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4.1.3. REGULACIÓN SECUNDARIA. DISPOSITIVO DE AJUSTE DE VELOCIDAD
La velocidad conseguida por el regulador es función de la potencia: cuando ésta aumenta,
la velocidad disminuye y viceversa. A una potencia dada corresponderá también una velocidad
dada. Con una regulación de este tipo montada sobre un turboalternador que abastezca de forma
independiente a una red, no sería posible mantener un valor constante de frecuencia y sus
variaciones serían demasiado importantes como para poder ser toleradas por los consumidores.
Es, por tanto, necesario corregir el resultado de la regulación primaria, efectuada por el
regulador de velocidad, mediante algún otro dispositivo que realice una regulación secundaria
y haga retornar la frecuencia a su valor nominal manteniendo la potencia en el valor demandado.
Por otra parte, cuando el turboalternador está acoplado con otros grupos a una red
importante, la velocidad de la turbina es mantenida constante por la frecuencia de la red.
Una forma posible de realizar la regulación secundaria, es variando la longitud del
vástago. Para ello, el vástago está roscado y sobre él desliza un manguito accionado por un motor
eléctrico, tal como se muestra en la figura 38. La barra que une el regulador con el vástago no
se une directamente a éste, si no que lo hace al manguito, de forma que no impida el giro de éste.
Al hacer funcionar el motor, en el sentido adecuado, se hace girar el manguito sobre el vástago
Figura 40: Relación entre velocidad, apertura del obturador, presión de control y apertura de válvula
roscado, haciendo que dicho vástago suba; al subir abrirá la válvula, aumentará la velocidad y
como consecuencia el regulador volverá a cerrarla hasta la posición correspondiente a la potencia
demandada, pero las masas quedarán en una posición más elevada y la turbina con una velocidad
también más elevada. Después de varias maniobras, la velocidad alcanzará su valor nominal y
la válvula la posición que tenía al inicio de la regulación secundaria (posición correspondiente
a la potencia demandada).
La transmisión entre el regulador centrífugo-mecánico y la válvula puede ser totalmente
hidráulica tal como se muestra en la figura 39. En este ejemplo también se incorpora la
regulación secundaria, que consiste en desplazar la camisa C mediante el motor M. Tiene la
ventaja de poder prescindir de articulaciones mecánicas entre los distintos componentes de la
regulación. Las masas del regulador posicionan el obturador A en el interior de la camisa C,
dotada de un orificio de drenaje de aceite. el aceite se suministra desde la bomba de aceite de
control, B, a una determinada presión, controlada por la válvula 1, a través de un orificio 2. El
41
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conjunto camisa-obturador constituye un orificio de paso de sección variable, según sea su
posición relativa, que puede variarse por la actuación del regulador sobre el obturador o por
desplazamiento de la camisa por efecto del sistema de regulación secundaria. Al variar la sección
de paso, se produce un cambio en el caudal de aceite que va al drenaje, originándose un cambio
en la presión de aceite de control entre el orificio 2 y el accionamiento de la válvula. De esta
forma se varía la presión de aceite que va al accionamiento de la válvula, la cual cambiará su
grado de apertura en función de esta presión. Téngase en cuenta que en este caso la válvula de
control de vapor abre por la acción del aceite a presión que empuja un embolo trabajando contra
un muelle: cuanto mayor es la presión del aceite mayor será la apertura de la válvula y cunado
la presión de aceite desaparece, la válvula cierra totalmente por la acción del muelle. En la figura
Figura 41: Regulador hidráulico con transmisión hidráulica
40 se representa la relación entre la velocidad y la apertura de la válvula, donde obtenemos la
misma recta de estatismo que en el caso de trasmisión mecánica descrito en el apartado 4.1.1.
El desplazamiento de la recta paralelamente a si misma se hace con el sistema de regulación
secundaria, que cambia la posición de la camisa y la variación de la inclinación de la recta se
consigue variando la característica del muelle del regulador.
4.1.4. REGULADOR HIDRÁULICO
Basa su funcionamiento en la ley de variación de presión en la descarga de una bomba
de aceite (impulsor), en función de su velocidad, cuando el caudal es nulo o muy pequeño.
Tal como se puede ver en la figura 41 consta de una bomba de aceite (impulsor) montada
en el árbol principal de la turbina, constituida por una cámara hueca concéntrica con el eje sobre
la cual están montados radialmente aletas que forman conductos que descargan en una cámara
concéntrica con la anterior.
La cámara interior está alimentada con aceite desde la bomba principal del aceite. Si se
42
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supone que la cámara de descarga de las aletas radiales no tiene salida, se llenará con el aceite
que se desplaza por dichas aletas por la acción de la fuerza centrífuga generada por la rotación
del árbol, creándose en la misma una presión que dependerá del número de revoluciones de la
turbina. La variación de presión de aceite producida por el impulsor del regulador en dicha
cámara de descarga, se utiliza para, a través de un fuelle o de un diafragma sensible a la presión,
posicionar el actuador del sistema hidráulico que a su vez posiciona la válvula de control del
Figura 42: Relación entre la presión del regulador hidráulico y la velocidad
caudal de vapor a la turbina. Lógicamente, en la práctica, el sistema de transmisión no es tan
sencillo como el mostrado.
La presión en la cámara de descarga del impulsor no varía linealmente con la velocidad,
si no que sigue una ley cuadrática como la mostrada en la figura 42, pero en el rango de
velocidades comprendidas entre 2700 y 3300, que es la zona normal de trabajo del regulador,
se puede considerar como una recta.
4.2.
REGULADORES ELÉCTRICOS
Se puede utilizar un regulador, que reciba una señal eléctrica representativa de la
velocidad real y otra del punto de consigna deseado. Cuando se utilizan reguladores eléctricos,
y dado que el accionamiento de las válvulas sigue siendo hidráulico, es preciso recurrir a un
elemento intermedio, convertidor electrohidráulico, entre el regulador y la válvula, en el que la
señal eléctrica de control se convierta en una señal de aceite que actúe sobre la corredera de
distribución del accionamiento de las válvulas de vapor.
Los reguladores eléctricos más utilizados son los reguladores electrónicos, en los que la
señal de velocidad consiste en un contador de impulsos que detecta los producidos por una rueda
dentada que gira solidaria con el eje de la turbina. Esta señal de velocidad se procesa en un
computador que a su vez genera las señales de salida que van a los elementos finales. Más
adelante se verá con más detalle el funcionamiento de la regulación electrónica.
43
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ÍNDICE DE MATERIAS
5.
CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.
REPARTO DE LA VARIACIÓN DE POTENCIA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO
ENTRE LOS TURBOGENERADORES QUE TRABAJAN SOBRE ÉL . . . . . . . . 48
7.
UTILIZACIÓN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LA REGULACIÓN
ELECTRÓNICA DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
INDICE 1
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5.
CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR
Con objeto de estudiar las características del regulador utilicemos el representado en la
figura 43, que es más parecido a los utilizados en los últimos tiempos, antes de comenzar a
utilizarse la regulación electrónica.
El regulador está compuesto por una parte giratoria, compuesta por dos masas simétricas
y el soporte de las mismas, y otra parte fija compuesta por el vástago y por el muelle, cuya fuerza
se opone a la centrífuga de las masas. El accionamiento de la parte móvil se logra por la
actuación de un tornillo sin fin, solidario con el eje de la turbina, sobre una corona dentada
solidaria con la parte móvil del regulador. Por lo tanto la velocidad de la parte móvil del
Figura 43: Regulador centrífugo con indicación de magnitudes
regulador es directamente proporcional a la velocidad de giro del eje de la turbina. Las masas
podrán ocupar cualquier posición entre un radio R0 y el desplazamiento máximo. A este recorrido
le corresponde el del vástago (o posición de la válvula), X, que va desde cero hasta el valor
máximo de X. De acuerdo con esta descripción se puede establecer que la fuerza que se ejerce
sobre las masas del regulador es:
44
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(1)
Donde:
F = Fuerza que actúa sobre las masas del regulador.
m = Masa de las masas del regulador.
w = Velocidad de giro del regulador.
R = Radio de giro de las masas.
De la figura 43 se puede deducir:
(2)
(3)
Los desplazamientos en el regulador nunca son grandes por lo que se puede establecer que:
(4)
(5)
Sustituyendo el valor de R de la ecuación (5) en (1) se tendrá para el valor de F:
(6)
Si se representa F (fuerza ejercida sobre las masas) en función del desplazamiento del
vástago (desplazamiento de la válvula), para distintos valores de w, tal como se puede ver en la
figura 44, se obtiene una familia de rectas. Esta representación se haría estableciendo una
determinada velocidad, que en la figura se expresa como tanto por ciento de la nominal que
manteniéndola constante, se desplazan las masas entre los extremos de su recorrido y se mide
la fuerza en cada una de las posiciones. Con esto se tiene la familia de características de las
masas del regulador. Para el estudio del funcionamiento del regulador solo será útil la parte de
las características comprendida entre los valores extremos del recorrido del regulador, por lo
tanto se utilizarán las características tal como se representan en la figura 45.
Si con objeto de establecer un sistema de regulación se eligiera um muelle cuya
característica fuera igual a la de las masas a la velocidad nominal (100 %), tendríamos equilibrio
entre el muelle y las masa en todo el recorrido del regulador, pero aunque aparentemente
tendríamos una regulación estable para todos los recorridos de válvula o lo que es lo mismo,
todas las potencias de la máquina, en el momento que la velocidad excediera el valor
45
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correspondiente al 100 %, la fuerza de las masas excedería a la del muelle, la válvula cerraría
totalmente y a continuación entraría en un proceso inestable. Si por el contrario la velocidad
descendiera por debajo d el valor correspondiente al 100 %, la fuerza de las masas será inferior
a la del muelle, la válvula abriría totalmente y a continuación entraría también en un proceso
inestable.
Figura 44: Fuerza de las masas en función del desplazamiento del regulador para distintas velocidades
Se puede establecer una regulación estable si se elige un muelle con una característica
que tenga una pendiente superior a las características de las masas, tal como la linea gruesa
representada en la figura 45. En tal caso si se partiendo de un punto, D, de funcionamiento
estable a una velocidad igual a la nominal y a una determinada potencia. Si en tal caso la
potencia demandada disminuye, la velocidad tiende a aumentar, supóngase que lo hace hasta el
101 %, entonces el sistema encontrará un punto de equilibrio en E con las válvulas más cerradas,
una potencia más baja (la demandada) y una velocidad superior a la nominal. Aunque se alcanza
el equilibrio, es necesario una segunda actuación para llevar el sistema a la velocidad nominal
manteniendo constante la potencia y como consecuencia también la posición de la válvula. Este
dispositivo puede ser algo que modifique la característica del muelle, en este caso la tensión,
trasladando la característica paralelamente a si misma hasta la posición que ocupa la recta de
trazos que pasa por el punto E’. Esta segunda actuación de la regulación se puede hacer de
múltiples maneras. Otro ejemplo sería actuando sobre la longitud del vástago. Si se acorta el
vástago, para que se mantenga el equilibrio (que la posición de la válvula no varíe), el valor de
X tiene que ser más pequeño, las masas tienen que estar más carradas y la velocidad deberá de
46
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ser menor.
En el caso de que el desequilibrio hubiera sido producido por una disminución de
velocidad (aumento de la demanda de potencia) partiendo del punto de funcionamiento estable,
D, el equilibrio se habría alcanzado para una potencia más alta X más pequeño, válvula más
abierta y velocidad inferior. En este caso la segunda actuación podría ser el aumento de la
Figura 45: Características de las masas y característica del muelle
tensión del muelle y el traslado de su característica hacia arriba paralelamente a si misma.
También se puede hacer alargando la longitud del vástago, lo que llevaría al alcance del
equilibrio en una posición de las masas más abierta o lo que es lo mismo, a una velocidad más
alta.
Si se cambia el punto de vista y se representa la figura 45 como la velocidad en función
de X, se obtiene una curva que podemos considerar prácticamente recta debido a la pequeña
diferencia entre las pendientes de las características de las masas de la figura 45. Esta
47
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representación es la linea gruesa que se muestra en la figura 46. Hay que tener en cuenta que la
posición X = 0 corresponde a las masas totalmente hacia dentro, )R = 0, válvulas totalmente
abiertas, potencia de la turbina máxima y velocidad mínima; y la posición X = máxima
corresponde a las masas totalmente hacia afuera, )R = máxima, válvulas totalmente cerradas,
potencia de la turbina igual a cero y velocidad máxima. Por ello en el eje de abscisas se va a
utilizar la potencia en lugar del desplazamiento del vástago o de la válvula. Además en el eje de
ordenadas en lugar de utilizar la velocidad se va a utilizar la frecuencia, f, ya que ambas están
relacionadas por la expresión w = 2Bf. En lo sucesivo utilizaremos la figura 46 como diagrama
de regulación. La recta representada en trazo grueso que nos da la frecuencia en función de la
potencia de la turbina se llama recta de estatismo.
Figura 46: Recta de estatismo de regulación de una turbina
Si se supone un punto de funcionamiento estable, A, con una frecuencia del 100 % y una
potencia, A‘‘ ,y debido a una perturbación, como disminución de la demanda se pasa a funcionar
a un punto tal como el B, a una frecuencia del 101 % de la nominal con una potencia B‘‘, la
segunda fase de la regulación debe de llevar la frecuencia a su valor nominal, punto B’, sin variar
la potencia. Como hemos visto anteriormente esto se puede conseguir disminuyendo la tensión
del muelle con lo que la recta de estatismo pasaría a ser la de trazos paralela a la anterior.
6.
REPARTO DE LA VARIACIÓN DE POTENCIA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO
ENTRE LOS TURBOGENERADORES QUE TRABAJAN SOBRE ÉL
48
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Si la recta de estatismo es horizontal (pendiente cero), para una determinado velocidad
puede adoptar cualquier potencia, por lo que no es apta para ningún tipo de regulación
(corresponde al caso de que la característica del muelle sea igual a la de las masas). Las rectas
Figura 47: Parámetros que definen el coeficiente de estatismo de una máquina
de estatismo, para que la regulación sea estable, deben ser inclinadas como la mostrada en la
figura 46 precedente. Para caracterizar una turbina mediante su recta de estatismo fijémonos en
la figura 47, donde se representan utilizando como variables la potencia, P, y la frecuencia f. Po
es la potencia nominal, fo es la frecuencia nominal, )fo el la variación de frecuencia que se
produce cuando la potencia varía desde cero a Po. Cada máquina se caracteriza por su potencia
nominal y por su coeficiente de regulación o de estatismo, d(%):
(7)
En un sistema eléctrico en el que se tienen varios turboalternadores generando energía
eléctrica sobre el mismo, se puede calcular el reparto entre ellos de una variación de la demanda
del sistema, conociendo su potencia nominal y su coeficiente de estatismo.
Para cualquier variación de potencia, )P, del sistema (puede ser una disminución o un
aumento de la demanda), se producirá una variación de frecuencia, )f, que será la misma para
49
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todas las máquinas del sistema y una variación de potencia en cada máquina, )Pi , distinta para
cada una. Según la figura 47, se cumplirá para cada máquina:
(8)
(9)
De la definición de coeficiente de regulación o de estatismo y teniendo en cuenta que la
frecuencia, f0 , es la misma para todo el sistema, se cumplirá para cada máquina:
(10)
Por tanto:
(11)
Sumando las variaciones de potencia de todas las máquinas, se obtiene la variación de
potencia del sistema:
(12)
Sacando del sumatorio los términos constantes:
(13)
Como deben estar establecidas, para cada máquina, su potencia nominal y su coeficiente
de estatismo, se puede calcular la suma de las relaciones entre potencia nominal y coeficiente
de estatismo (sumatorio de la ecuación (13)) de todas las maquinas; como la frecuencia nominal
también es conocida, de la ecuación (13) se puede calcular el valor de )f para cualquier
variación de la demanda, )P. Este valor sustituido en cada una de las ecuaciones (11), da la
potencia absorbida por cada máquina.
De las ecuaciones (11) se deduce que una turbina de generación de energía eléctrica, ante
una variación brusca de la potencia del sistema, varía más la suya, cuanto menor sea "d i". En las
turbinas hidráulicas, cuya potencia resulta fácil de variar, se utilizan coeficientes de estatismo
bajos, comprendidos entre 2 % y 3 %. Las turbinas de vapor, cuya variación de potencia,
requiere variar el régimen de producción de vapor, no pueden soportar variaciones rápidas de
carga grandes y por eso utilizan coeficientes de estatismo del orden de 5%. Cuando la generación
de vapor es de origen nuclear, los coeficientes de estatismo son mayores, para que estas unidades
se vean poco afectadas por las oscilaciones de la potencia del sistema. En la figura 48 se
representan rectas de estatismo de diferentes pendientes con la toma de carga que correspondería
a cada unidad en función de dicha pendiente. Se ve que a mayor pendiente corresponde una
menor toma de carga.
50
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7.
UTILIZACIÓN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LA REGULACIÓN
ELECTRÓNICA DE LA TURBINA
La recta de estatismo deducida del funcionamiento de un regulador mecánico, se utiliza
igualmente en un regulador electrónico.
Una vez que la turbia ha sido llevada a la velocidad nominal y está suministrando
potencia, la regulación como respuesta a las variaciones de velocidad debidas a variaciones de
carga queda en manos de regulador velocidad-carga que funciona de acuerdo con la recta de
Figura 48: Toma de carga de una unidad en función de la pendiente de la recta de estatismo
estatismo.
Consideremos la recta de estatismo según se muestra en la figura 47. La pendiente de la
recta de estatismo es:
(14)
En lo sucesivo se va a considerar la frecuencia, f, y la potencia, P, en tanto por ciento de
la nominal, por lo que P0 = 100 y f0 = 100. La pendiente entonces será:
(15)
Si llamamos a la potencia o apertura de la válvula, x, y a la velocidad o frecuencia, y, la
ecuación de la recta de estatismo será:
51
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(16)
(17)
A cada nuevo valor de la demanda, el regulador lleva la máquina a funcionar con una
frecuencia, y, y una potencia, x, según la ecuación (17), pero el equilibrio alcanzado corresponde
a una frecuencia distinta de la nominal. Entonces debe de existir otro lazo de control que
manteniendo la misma potencia (la demandada) o apertura de válvulas, lleve el valor de la
velocidad a la nominal. Para que el valor de x no varíe cuando la frecuencia alcance el valor
nominal, 100, debe de cumplirse:
(18)
(19)
Cuando fk alcance el valor igual a f'k , el valor de x seguirá siendo igual a la apertura de
válvulas o a la potencia demandada y el valor de y será igual a la frecuencia nominal (100). Con
ello se habrá conseguido los dos pasos de regulación necesarios para funcionar con la nueva
potencia manteniendo la velocidad o la frecuencia en su valor nominal.
Figura 49: Respuesta a una variación de potencia del regulador velocidad-carga
Supóngase, según la figura 49, que la demanda de potencia de la máquina pasa de X a X’;
el regulador hará que la frecuencia pase del 100 % , correspondiente al punto A, a la
correspondiente al punto B. A continuación debe de entrar en funcionamiento la segunda fase,
que cambie la posición de la recta de estatismo paralelamente a si misma, pasando el
52
Figura 50: Diagrama de regulación electrónica de un turbogrupo con una válvula de admisión, dos válvulas de control, una válvula interceptora de recalentado
y una válvula de admisión de recalentado. La demanda de velocidad de la parte izquierda es la señal utilizada durante el rodado y la señal de la derecha es la
utilizada cuando la turbina funciona con carga.
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Figura 51: Lazo de demanda de velocidad de la turbina
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funcionamiento al punto C, con lo cual el resultado final del proceso, es el haber variado la
potencia manteniendo constante el valor de la frecuencia.
En la figura 50 se puede ver el esquema de un sistema de regulación electrónico y como
se utiliza en él la recta de estatismo para la regulación velocidad-carga. Esto se hace con la señal
de velocidad que entra por la parte derecha del esquema, la cual actuará sobre las válvulas de
control, cuando haya una desviación de la frecuencia, según la recta y = f(x), mientras que otro
segundo lazo corrige el valor de fk, en función del valor de la frecuencia, hasta que y = 100,
momento en el que fk dejará de variar y la máquina se estabiliza con la nueva potencia a la
frecuencia nominal.
La señal de demanda de velocidad que entra por la izquierda del gráfico, es la que se
utiliza durante el rodado de la turbina, generada en el lazo de la figura 51. En tal caso la
velocidad no habrá llegado al valor nominal y la demanda de la regulación velocidad-carga será
del 100 %. Para que el rodado se haga con un criterio específico, definido en el lazo de la figura
51, de las dos señales de demanda de velocidad, la del lazo de arranque y la del regulador
velocidad-carga, solo pasa la más baja (demanda menor para la apertura de válvulas).
Siguiendo con la descripción de la figura 50, la demanda de potencia es la que se genera
en el lazo de la figura 52 como respuesta a la demanda que el operador introduce, según la
programación de potencia establecida previamente. Esta es distinta de la que se genera como
respuesta del regulador velocidad-carga a las variaciones instantáneas de la frecuencia
consecuentes a las variaciones instantáneas de la demanda de potencia del sistema. Para que la
demanda de potencia, )x, debida a la demanda del operador, tenga efecto, es necesario desplazar
la recta de estatismo, variando fk un valor )fk = )xAd/100 según se puede ver con más detalle
en las figuras 50 y 53
La señal digital de turbina rearmada va a los controles de todas las válvulas y si está en
cero, ninguna de ellas recibirá señal de apertura porque, en tal caso, la turbina no está en
condiciones de recibir vapor.
La señal digital de rodado en arco total significa que el rodado de la turbina debe de
hacerse con las válvulas de control totalmente abiertas. Al control de las válvulas de control llega
la señal de 100 % de apertura y a las de admisión les llega la señal de demanda. Esta señal de
demanda abre una pequeña válvula piloto que tienen las válvulas de admisión para controlar la
entrada de vapor durante el rodado en estas condiciones..
La señal digital de rodado en arco parcial significa que al control de las válvulas de
admisión no llega la señal digital y abrirán al 100 %, mientras que la señal de demanda actúa
sobre el control de las válvulas de control que abrirán en función de esa demanda. Este modo de
funcionamiento es el que se sigue en marcha normal durante la cual las válvulas de admisión
están totalmente abiertas.
A medida que reciben señal, las válvulas de control abren simultáneamente hasta el 10
% y luego lo hacen en secuencia, la número uno abre totalmente desde el 10 % de la potencia
hasta el 55 %; la número dos abre totalmente desde el 55 % de la potencia hasta el 100 %; la
válvula interceptora de recalentado abre totalmente entre el 0 % y el 15 % de la potencia. Podrían
establecerse otras secuencias de apertura, incluso la apertura simultanea de las dos válvulas que
sería el caso de funcionamiento como válvula única
Por acción del regulador velocidad-carga la válvula interceptora de recalentado comienza
a cerrar cuando la frecuencia o velocidad alcanza el 106 % de la nominal y está totalmente
cerrada cunado alcanza el 108 %. Como las válvulas de control deben de cerrar adelantándose
a la válvula de recalentado, el valor de d debe de ser inferior al 8 %.
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Figura 52: Lazo de control de demanda de potencia de la turbina
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En la figura 51 se muestra el lazo de control de demanda de velocidad. El valor de
velocidad medido se compara con el valor de consigna y en función del error se genera una señal
de demanda que se enviará al sistema de control de las válvulas. Paralelamente se determina la
aceleración que sufre durante el rodado que se compara con el valor de consigna y en función
del error también se genera una señal de demanda que también se enviará al sistema de control
de las válvulas. De estas dos señales solo llega al sistema de control la más pequeña. Cunado la
velocidad alcanza el valor demandado, la aceleración se hace automáticamente igual a cero, la
señal de aceleración pasa al 100 %, y en el paso de mínima solo lo hará la del lazo de error para
mantener la velocidad en el valor demandado. Cuando se cierra el interruptor de grupo el control
pasa al regulador velocidad-carga ya que deja de llegar señal del lazo de velocidad.
En la figura 52 se representa el lazo que genera la señal de demanda de potencia según
la que pida el operador. En este lazo hay limitaciones de aumento máximo y de aumento mínimo
así como de potencia mínima con la que pueda funcionar la máquina. La señal de demanda será
siempre igual a cero mientras no se cierre el interruptor de grupo. También hay una limitación
de potencia cuando se activa la señal digital de retroceso de carga.
Figura 53: Variación de la recta de estatismo ante una demanda de carga del
operador
57
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CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS
ÍNDICE DE MATERIAS
8.
PROTECCIONES DE UNA CENTRAL TÉRMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.1.
PROTECCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA) . . . . . . . . . . . . 58
8.2.
PROTECCIONES DE TURBINA: DISPOSITIVOS DE DESCARGA
Y DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1. DISPOSITIVOS DE DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2. DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE BAJO VACÍO . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.3. DISPOSITIVOS DE DESCARGA POR BAJA PRESIÓN DE VAPOR . . .
8.2.4. DISPOSITIVOS DE DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.5. DISPARO POR SOBREVELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.6. DISPARO POR FALLO DE ACEITE DE LUBRICACIÓN . . . . . . . . . . . .
9.2.3. DISPARO POR FALLO DEL COJINETE DE EMPUJE . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.7. DISPARO POR BAJO VACÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.8. DISPARO POR FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR
COMO MOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.9. DISPARO MANUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9.
LOS SISTEMAS CENTRALIZADOS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
10.
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
11.
SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) Y CONTROL
AUTÓMATA LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
12.
SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO (APC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
INDICE-1
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
8.
PROTECCIONES DE UNA CENTRAL TÉRMICA
El sistema de protecciones procesa parte de las señales, correspondientes a parámetros
importantes de la unidad y cuando se alcanzan determinadas condiciones, consideradas
peligrosas, actúa llevando la unidad a una situación segura, desde la que puede ser llevada al
estado de operación una vez corregida la causa desencadenante.
Las protecciones de una unidad comprenden las relativas a los siguientes bloques:
- Generador de vapor (caldera).
- Turbina.
- Alternador.
- Sistema eléctrico.
En este texto se hará referencia solamente a las dos primeras.
8.1.
PROTECCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA)
La caldera puede llegar a situaciones de riesgo muy diversas: procedentes de una
combustión defectuosa, que serían el origen de explosiones; procedentes de la presión del hogar
inadecuada, que pueden originar explosiones o implosiones; procedentes del circuito agua-vapor,
por las que se puede llegar al quemado y explosión de los tubos, colectores e incluso el calderín;
procedentes de un control defectuoso de alguna o varias de las variables que pueden conducir
a cualquiera de las situaciones anteriores, etc.
La protección de la caldera comienza con que es necesario que se cumplan
simultáneamente una serie de condiciones, que deben de mantenerse durante un tiempo, que
suele ser de cinco minutos, para que aparezca un permisivo que permita poner en servicio el
sistema de combustible de encendido y luego proceder a encender los ignitores y seguir con el
proceso.
Si durante los cinco minutos que dura el proceso de purga desaparece alguna de las
condiciones, dicho proceso se interrumpe y tiene que volver a iniciarse desde el principio. Una
vez transcurren los cinco minutos y aparece la señal de purga completa, si no existe ninguna
condición de disparo presente (figura 55), se repone o rearma la caldera, lo que hace posible
iniciar el proceso de arranque.
Las condiciones que deben de cumplirse simultáneamente durante cinco minutos reciben
el nombre de permisivos de purga. Estas condiciones se indican en la figura 54. El no
cumplimiento de cualquiera de ellas lleva aparejado un riesgo, normalmente de explosión en el
momento del encendido de caldera.
Durante el funcionamiento, pueden aparecer en la caldera condiciones que representan
un riesgo para tanto para la instalación como par las personas. Si se presenta cualquiera de estas
condiciones, debe de cortarse todo el combustible a la caldera y llevar esta de forma automática
a una situación segura. Esto es un disparo de caldera o de combustible.
En la figura 55 se representan esquemáticamente todas aquellas condiciones, tales que
cuando se presenta cualquiera de ellas, se produce un disparo de caldera
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Figura 54: Ejemplo de esquema de los permisivos de purga de una caldera
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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Figura 55: Ejemplo de esquema de las condiciones de disparo de una caldera
CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
8.2.
PROTECCIONES DE TURBINA: DISPOSITIVOS DE DESCARGA Y DISPARO
A continuación se enumeran las condiciones que pueden originar daños mecánicos a la
turbina durante su funcionamiento:
a)
Sobrevelocidad
b)
Funcionamiento del alternador como motor
c)
Fallo en el aceite de engrase
d)
Fallo en el cojinete de empuje
e)
Fallo en el vacío
f)
Arrastre de agua con el vapor
g)
Vibraciones excesivas
h)
Dilataciones diferenciales excesivas
i)
Excentricidad excesiva
Para impedir el funcionamiento de la turbina bajo alguna de estas condiciones se emplean
una serie de dispositivos protectores, que en algunos casos descargan la máquina (dispositivos
de descarga) y en otros provocan su disparo (dispositivos de disparo).
La misión de los dispositivos de descarga es la de limitar la potencia producida por la
turbina cuando las condiciones de entrada o salida de la misma son anormales. Los dispositivos
de disparo, por su parte, son los encargados de originar la parada inmediata del turboalternador,
eliminando la presión del aceite de mando.
Todos estos dispositivos están basados en el principio de fallo sin riego, de forma que la
actuación de cualquiera de ellos causa la desaparición de la presión del aceite de mando.
8.2.1. DISPOSITIVOS DE DESCARGA
Se llaman dispositivos de descarga, de retroceso de carga (o run-back), a las protecciones
que responden a una determinada circunstancia reduciendo automáticamente la potencia aun
valor que es compatible con la circunstancia que desencadena el proceso.
Se trata de circunstancias o incidentes que normalmente, no impiden el funcionamiento
de la unidad, pero que limitan la potencia con la que se puede trabajar.
8.2.2. DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE BAJO VACÍO
Una caída del valor de vacío del condensador tiene como consecuencia el aumento de la
temperatura del vapor de escape de la turbina de baja, lo cual puede originar daños sobre las
últimas etapas de los álabes y en los tubos del condensador.
Para proteger a la turbina frente a este tipo de eventualidades se emplea un dispositivo
de descarga, que actúa disminuyendo el caudal de vapor que atraviesa la turbina cuando el vacío
cae por debajo de un valor determinado.
8.2.3. DISPOSITIVOS DE DESCARGA POR BAJA PRESIÓN DE VAPOR
Para proteger a la turbina de bajadas de presión del vapor se incluye un dispositivo de
descarga, que actúa reduciendo la carga de la turbina cuando la presión de vapor cae
bruscamente por debajo de un determinado valor.
El control de la presión de vapor es importante para asegurar el correcto funcionamiento
del sistema de regulación de la turbina. Esto está relacionado con el hecho de que si la presión
de vapor baja, la turbina demandará mayor cantidad del mismo, con lo que la presión bajaría más
todavía. Si la caída de presión fuese brusca, el repentino aumento de la demanda de vapor
originaría el transporte de agua hacia la turbina con los consiguientes peligros que ello acarrea.
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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8.2.4. DISPOSITIVOS DE DISPARO
Los dispositivos de disparo responden a determinadas circunstancias, reduciendo a cero
la potencia de la turbina cortando todo paso de vapor a la misma. Se trata de circunstancias que
cuando se dan, no es posible el funcionamiento de la misma sin grandes riesgos para el equipo
y para las personas.
8.2.5. DISPARO POR SOBREVELOCIDAD
El aumento de la velocidad de la turbina origina fatigas en los componentes que pueden
degenerar en la ruptura.
Para evitar que la turbina alcance la sobrevelocidad es necesario un regulador de
velocidad, que limite ésta a un valor inferior al 110% de la nominal. Además la turbina cuenta
con un dispositivo de seguridad que obliga a cerrar las válvulas de parada en caso de que se
alcance la sobrevelocidad.
8.2.6. DISPARO POR FALLO DE ACEITE DE LUBRICACIÓN
Este dispositivo impide el deterioro de los cojinetes y del eje que podría producirse como
consecuencia de la pérdida de lubricación de cojinetes. La pérdida de aceite puede detectarse
por:
- Bajo nivel de aceite en el tanque de almacenamiento, como consecuencia de la fuga en
el circuito
- Baja presión de aceite, debida a un fallo en la bomba principal.
9.2.3. DISPARO POR FALLO DEL COJINETE DE EMPUJE
Un fallo en el cojinete de empuje puede originar desplazamientos excesivos del rotor, con
los consiguientes daños en álabes y cierres. Para evitar este fenómeno se dota al sistema con un
dispositivo de disparo.
8.2.7. DISPARO POR BAJO VACÍO
Se trata de un dispositivo adicional con que cuenta el sistema para evitar el bajo vacío
y sus consecuencias en el caso de que falle el dispositivo de descarga correspondiente. El
elemento detector suele consistir en un fuelle cargado por un resorte, controlando dicho fuelle
la posición de la válvula piloto que pone en drenaje el aceite de mando.
El punto de vacío está fijado por la capacidad de las últimas etapas de álabes para
soportar las altas temperaturas que se alcanzan al operar con un vacío empobrecido.
8.2.8. DISPARO POR FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR COMO MOTOR
Cuando se produce un retorno de potencia, el generador funciona como motor y la turbina
adquiere un sobrecalentamiento excesivo por el efecto de ventilación que se produciría. Con el
fin de evitar este fenómeno se dispone de un dispositivo de protección que desacopla el
generador de la red al producirse dicho retorno.
8.2.9. DISPARO MANUAL
Este dispositivo se basa en una válvula simple, que al ser accionada manualmente, pone
en drenaje el aceite de mando originando así el cierre rápido de las válvulas de admisión de
vapor. Este disparo protege a las turbinas de emergencia no cubiertas por los dispositivos
automáticos de protección, o bien ante el caso de un posible fallo de los mismos.
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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9.
LOS SISTEMAS CENTRALIZADOS DE CONTROL
Los sistemas de control comprenden el conjunto de dispositivos orientados a la
adquisición de datos, visualización, registro, actuación y regulación que permiten el control
integral de un proceso. El sistema de control engloba a todos los dispositivos que sirven de
interfase con el usuario y a todo el conjunto de elementos que sirven de puente entre los distintos
elementos de campo (elementos primarios o de medida y los finales).
La primera tendencia hacia la centralización de los sistemas de control se inicia con la
instalación de paneles de control centralizados, que ubican, en grandes paneles longitudinales,
todos los elementos individuales de indicación, registro y regulación de una planta o unidad.
10.
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC)
El Control Digital Directo es un concepto de sistemas de control mediante el cual todas
las tareas lógicas se encomiendan a un único ordenador central que actúa como controlador de
todos los lazos existentes. El nombre de digital se debe a que cada variable no tiene una
escrutación continua, como en el analógico, si no que dicha escrutación se hace con una
determinada frecuencia, muchas veces por segundo, lo que permite que la respuesta no aparezca
de forma continua, sino que lo hace de forma digital, es decir en forma de ceros y de unos.
El computador lleva a cabo todos los cálculos que realizaban individualmente los
controladores P, P+I, P+I+D generando directamente las señales que van a los elementos
finales.
Las funciones que realizan son las siguientes:
- Explora las variables de entrada analógicas o digitales.
- Las compara con los puntos de consigna e introduce la señal de error en el algoritmo
de control correspondiente.
- Envía las señales de salida a las válvulas de control del proceso.
- Se disponen instrumentos analógicos en paralelo con el computador en los puntos
críticos y actúan como reserva en caso de fallo.
Las señales procedentes de los transmisores de campo se reúnen en un terminal y pasan
a una unidad de filtrado y acondicionamiento donde son convertidas a señales digitales, para ser
utilizadas en los cálculos posteriores de control.
Las señales de entrada pueden tener varios orígenes:
- Señales de tensión procedentes de:
- Termopares, que se caracterizan por una f.e.m. pequeña que les hace sensibles
al ruido eléctrico, no mantienen una linealidad entre la f.e.m. y la temperatura y
necesitan una compensación de la unión fría.
- Reóstatos.
- Tacómetros.
- PH y conductividad.
- Señales de corriente procedentes de transmisores.
- Variaciones de resistencia de sondas que se caracterizan por una relación no lineal con
relación a la temperatura.
A continuación pasan a un multiplexor, y de ahí a un computador, que permite comprobar
cada señal de entrada y compararla entre límites prefijados para detectar si se sale fuera de estas
magnitudes y determinar así, a través de la lógica del computador, las causas de la desviación
iniciando una alarma o bien imprimiendo instrucciones para la operación de planta.
Por otro lado, el sistema DDC compara la señal enviada al elemento final de control con
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
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la de entrada y determina la aceptabilidad de la información para la acción de control. Si ésta no
es aceptable se retiene la última posición de la válvula y el operador es avisado, tomando el
computador una acción de emergencia. De este modo, los límites de operación del proceso
pueden estrecharse con seguridad de manera que éste puede llevarse a un punto de operación
crítico sin problemas.
El DDC permite una transferencia automático-manual sin perturbaciones y admite una
fácil modificación de las acciones y de las configuraciones de los sistemas de control, lo cual es
muy importante en la puesta en marcha de la planta. El DDC tiene la ventaja sobre los
controladores convencionales de estar provisto de un calibrado automático que corresponde a
las condiciones de operación instantáneas. Es decir, el computador ajusta la calibración de sus
algoritmos de acuerdo con una función predeterminada de la variable medida o de una
combinación de variables en lugar de requerir periódicamente la calibración individual de cada
instrumento por un instrumentalista o especialista en instrumentos, tal como ocurre en los
instrumentos convencionales.
El conmutador propiamente dicho admite la información de entrada del sistema
proveniente de cintas o disquetes u otros tipos de soporte y almacena estos datos en una memoria
conectada a una unidad central de tratamiento compuesta por una unidad aritmética y una
sección de control; de esta última salen y entran los datos del proceso a través de la interfase.
La unidad de memoria almacena las instrucciones de programa y los datos empleados por
la unidad central de tratamiento.
La unidad central de tratamiento es el verdadero centro nervioso del computador al
realizar por un lado las operaciones aritméticas y lógicas (unidad aritmética) y por el otro
controlar el flujo de datos (unidad de control).
La presentación de la información accesible al operador desde el computador puede
adoptar varias formas:
- Teleimpresores de alta velocidad.
- Pantalla de televisión que muestra a voluntad del operador el estado operacional de la
planta o de una sección de la misma, o bien de un bucle de control.
Entre las ventajas del sistema DDC figuran:
- Flexibilidad en el diseño del sistema de control, pudiéndose pasar fácilmente de una
acción de control a otra, diseñar la ecuación de control que más convenga al proceso, y
añadir cómodamente acciones de control en adelanto o en cascada.
- Rendimiento del control al trabajar muy próximamente al punto óptimo de operación.
- Seguridad al poder comprobar cada variable entre unos límites prefijados.
El control DDC permite eliminar la multiplicación de dispositivos locales del panel
cubriendo la misma funcionalidad, permitiendo una mejor gestión de la información y la
posibilidad de control de más alto nivel.
Como contrapartida presentan los inconvenientes del gran volumen, alto precio y escasa
fiabilidad como para hacer depender de un solo elemento todas las labores de control de un
proceso.
11.
SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) Y CONTROL AUTÓMATA
LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)
Los sistemas de control distribuido (DCS) son sistemas más actuales orientados al control
de procesos continuos, enfocados esencialmente al control global de un proceso.
Los sistemas autómatas lógico programable (PLC), por su parte, están orientados al
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
control de operaciones todo-nada, y se conciben desde una óptica más limitada para atender
pequeños sistemas locales englobados o no jerárquicamente en otros más complejos (por
ejemplo, sistemas con varios PLC encuadrados en un DCS).
El control distribuido está basado en la distribución de una aplicación de gran tamaño
(gran panel, gran ordenador central) en diversos subsistemas, cada uno de los cuales ejecuta una
parte de la aplicación, con capacidad de comunicarse entre sí, lo que permite una central de
supervisión única con acceso a información de los diversos subsistemas.
En la práctica esta distribución es funcional frente al control centralizado, concretada en
la utilización de múltiples microprocesadores cada uno de los cuales atiende digitalmente al
control de un número limitado de acciones, y además geográfica, caracterizada por la
localización de armarios que contienen conjuntos de elementos de control y adquisición de datos
más próximos a la ubicación del proceso controlado, con la consecuente reducción del cableado
entre campos y dichos armarios. La concepción “distribuida” no impide por otra parte que los
distintos armarios de control se comuniquen con una única sala de control “centralizada”.
Junto a la característica de la distribución, los sistemas de control modernos (tanto DCS
como PLC) basan su hegemonía en las siguientes características que ponen de manifiesto su
supremacía frente a otras alternativas:
- Funcionamiento digital: frente a los sistemas de relés y los controladores analógicos.
- Características configurables: la utilización de microprocesadores permite el diseño de
sistemas basados en tarjetas universales, cuyas características se definen en cada caso
mediante programación.
- Fiabilidad: la distribución de las tareas de control entre diversos elementos disminuye
el riesgo de caída global del sistema completo.
- Facilidad de ampliación, al ser fundamentalmente modular.
- Futura compatibilidad con sus nuevas generaciones.
- Integración en una sola estructura de los diversos niveles de control.
Los componentes básicos tanto de DCS como de un sistema basado en PLC son:
- Estaciones de control y adquisición de datos: constituidos esencialmente por un bastidor
en el que se incorporan las tarjetas de control.
- Interfases hombre/máquina: constituidos por monitores y teclados que permiten,
respectivamente, la recepción de la información del proceso por el operador y el envío
de consignas de éste al proceso.
- Red de comunicaciones: entre los distintos elementos que componen el sistema
distribuido.
- Software de configuración-programación del sistema.
- Estaciones auxiliares: destinadas a funciones complementarias, como gestión de
comunicaciones o funciones de ingeniería.
El ordenador personal también se ha incorporado al control distribuido. Permite la
visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo de
transmisión, el acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los
transmisores.
Como se ha comentado en párrafos anteriores, el controlador básico del sistema es un
microprocesador que proporciona los clásicos controles PID y otros algoritmos de control. Es
apto para el manejo de 8 lazos que proporciona, entre otros, los siguientes algoritmos de control:
Salida manual
PID normal
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
PID con ajuste externo del punto de consigna
PID con control anticipativo
Adelanto-retardo
Sumador
Multiplicador-Divisor
Relación
Extracción de raíz cuadrada
Rampas programadas (temperatura en procesos discontinuos)
Contador
Estos algoritmos pueden configurarse definiéndose de este modo, el último modo de
control a retener en caso de avería, las unidades de ingeniería (tipo termopar, termorresistencia,
...), la acción de control (directa, inversa), el tipo de señal de entrada (lineal, raíz cuadrada,...),
las alarmas, etc.
El contador multifunción que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto nivel,
se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control lógico que permiten
regular un proceso discontinuo (batch control), y el manejo de procesos complejos, en los que
el controlador básico está limitado.
El control secuencia enlaza el control analógico (modulante con posiciones que varían
continuamente en la válvula de control) con el control lógico. Por ejemplo, el arranque y el paro
de una caldera de vapor deben hacerse de modo secuencial para eliminar totalmente el riesgo de
una explosión que ocurriría si, en el peor de los casos, entrara agua en la caldera con un nivel
muy bajo y con los tubos del serpentín al rojo. El control secuencial se realiza con un conjunto
de instrucciones o sentencias, parecidas a programas de ordenador, que establezcan en el tiempo
los puntos de ajuste de cada elemento para que tenga lugar la secuencia deseada. El lenguaje
empleado es de alto nivel, parecido al BASIC, y orientado al usuario del ordenador personal, por
lo que es fácil de escribir y de interpretar.
Los controladores programables sustituyen a los relés convencionales utilizados en la
industria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y para
el accionamiento de los motores de la planta, con el correspondiente panel o cuadro de mandos
y con los consiguientes cables de conexión, voluminosos y caros, el controlador programable
aporta la solución versátil, práctica y elegante del software en un lenguaje especial, basado en
la lógica de relés.
El teclado del ordenador dispone de símbolos que representan la lógica de los contactos:
NA (normalmente abierto), NC (normalmente cerrado), temporización ON u OFF, contador,
constante, etc...
De este modo pueden desarrollarse programas que representen cualquier circuito de
enclavamiento, y comprobarlos con un simulador de contactos, antes de acoplar el controlador
programable a la planta.
La estación del operador proporciona la comunicación con todas las señales de la planta
para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La
presentación de la información a cada uno de ellos, se realiza mediante programas de operación.
De este modo:
- El operador de proceso ve en la pantalla/as un gráfico/os del proceso que le interesa,
y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de tendencia, el estado
de las alarmas, etc.
- El ingeniero de proceso puede editar programas del proceso, construir las
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
representaciones en la pantalla de las partes del proceso, etc.
- El técnico de mantenimiento puede fundamentalmente diagnosticar y resolver
problemas en los elementos de control distribuido de la planta.
El conmutador permite implementar los programas de aplicación de los usuarios,
destinados a obtener información determinada de la planta, y procesarla con objeto de analizarla
más adelante. El sistema se presta a optimizar variables, hacer cálculos especiales o complejos
sobre balance de energía.
Por otro lado el computador puede comunicarse con otros ordenadores de mayor
capacidad que influyen en la producción y en su rendimiento, y sobre los datos analíticos que
se utilicen en la optimización de la planta. Y, como es lógico, esta información actual obtenida
del proceso es accesible a la dirección, que puede utilizarla para el control de costos de planta.
La tendencia del computador es a generar cada vez más información, la que debe ser
trasmitida rápidamente dentro de la planta, y a veces en tiempo real. Esta información es
manejada por los llamados periféricos del ordenador. Estos periféricos deben trabajar a la misma
velocidad que los sistemas basados en los procesadores Pentium.
Otro punto importante en el control de procesos son las alarmas. Existen alarmas de alto
y bajo valor de la variable, alarmas de desviación entre el punto de consigna y la variable
controlada, alarmas de tendencia que actúan si la variación de la variable excede un valor
prefijado, alarmas de estado de la señal o de salida, etc.
Si una alarma actúa demasiadas veces durante el día se deberá a un mal diseño, a una
condición del proceso que hay que corregir. La solución a este tipo de casos es la llamada alarma
inteligente que actúa siguiendo la lógica del circuito.
El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas
convencionales de control, contando con las siguientes ventajas:
- Disponen de un sistema de autocalibración y diagnóstico de averías que permite al
personal de mantenimiento localizarlas y resolverlas rápidamente, caso de que se
produzcan. El sistema es redundante y puede considerarse como una inteligencia
distribuida que, en forma parecida a la humana, limita las consecuencias de un fallo,
manteniendo el control del sistema.
- Alta fiabilidad del equipo, con un alto número de horas/fallo de los elementos de un
sistema de control distribuido.
- Alta disponibilidad, es decir, fracción de tiempo que el sistema está operable grande
12.
SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO (APC)
Son aquellos que se apartan de las técnicas tradicionales realizadas con controladores
neumáticos o electrónicos analógicos PID, control de relación y control en cascada y que, en
general, se emplean para mejorar el rendimiento del económico proceso.
Cuando el control convencional presenta problemas, por no ser el proceso bien conocido,
ser complejo, presentar importantes retardos y grandes perturbaciones e interacciones y ser
marcadamente no lineal, la alternativa es el control avanzado.
La estrategia del control avanzado viene definida por la estimación de los costos y
cuantificación de los beneficios, el establecimiento de los recursos humanos y un plan de
viabilidad.
El costo es importante; deben definirse estrategias y los bloques de control del software
y del hardware, los programas de simulación y de optimización, los protocolos de comunicación,
los recursos humanos y las puestas en marcha. La aplicación de los sistemas de control avanzado
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
crece día a día por los beneficios que permite conseguir en la automatización de la planta. Las
ventajas que presenta la aplicación de los sistemas de control avanzado abarcan:
- El ahorro de energía conseguido en la operación de la planta.
- El aumento de la capacidad de producción y disminución del costo de operación de la
planta.
Corresponde al control avanzado el control anticipativo, y el control con restricciones
donde se imponen limitaciones a la variable controlada.
En el control multivariable existe una relación de influencia entre varias variables del
proceso que se controla. En una planta, la mayoría de los lazos de control son de una entrada y
una salida y pueden ser controlados satisfactoriamente con un instrumento PID. Sin embargo,
algunos lazos son de múltiples variables que se influyen mutuamente, existiendo métodos para
el control de las multivariables que se ejecutan con ordenador, como modelización de proceso
por ecuaciones de estado, o con control predictivo.
En las calderas, el sistema compensa en circuito cerrado las perturbaciones que se
presentan en la operación de la caldera, para reducir el consumo de combustible. El sistema
dispone de un elemento de simulación y optimización de la caldera que recibe todos los datos
de operación y los datos económicos de funcionamiento, y determina la forma óptima para
operar la caldera, calculando los puntos de consigna de los controladores. El sistema permite la
operación on-line, es decir, el funcionamiento en tiempo real de la caldera, y off-line, es decir
un estudio del comportamiento del sistema ante ensayos de funcionamiento sin peligro para el
control de la caldera. En este último caso pueden probarse diversas hipótesis y sus consecuencias
en el control de la caldera. En otras palabras, el control avanzado contesta a la pregunta ¿Qué
pasaría si...?.
El sistema permite la optimización en el uso de diversos combustibles y el cálculo del
coste de la energía eléctrica suministrada por la turbina. Esta se utiliza en el aprovechamiento
de la energía eléctrica suministrada por el vapor y no utilizada en la planta, la que se envía y
factura a la compañía eléctrica.
La implementación de aplicaciones de control avanzado, requiere la disponibilidad de
ciertas funcionalidades dentro del DCS. Tradicionalmente dichas aplicaciones requerías
obligatoriamente la existencia de un ordenador, con la adecuada interfase con el sistema de
control distribuido. Esta interfase se refiere tanto a su interconexión física con la red de planta
mediante tarjetas o puertas adecuadas, como al software para el acceso a tiempo real del
ordenador.
El progresivo incremento de la capacidad de procesamiento de las unidades del DCS ha
detraído de los software gran parte de sus funciones originales de control avanzado,
complementarias de las facilitadas por el propio DCS, que han pasado a poder ser soportadas
directamente por el mismo. De hecho hoy en día prácticamente todas las funciones denominadas
de control avanzado pueden ser soportadas directamente por la mayoría de los DCS.
El objetivo del control estadístico de proceso (SPC) es monitorizar el comportamiento
de las variables aleatorias que pueden conducir a problemas de control. La tendencia del control
distribuido es a incorporar este tipo de control, extrayendo la información de la base de datos de
los históricos del sistema. Los cálculos que realiza el control estadístico abarcan la determinación
de la media, la desviación estándar, los valores periódicos máximos y mínimos, etc.
El sistema trabaja en tiempo real con leyes de probabilidad de las variables para los
valores no aleatorios y presenta los resultados en forma de gráficos generales y de tendencia, y
de tablas. Este tipo de control, mediante visualizaciones especiales, alerta al operador para que
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
pueda actuar sobre el proceso.
El control avanzado cuenta con varios tipos de gráficos: los gráficos de control
estadístico típicos y los gráficos de suma acumulativa (CUSUM), que representan la suma
algebraica de la variable menos el promedio. De este modo, cuando se presenta una tendencia
clara de la variable, el gráfico indica un movimiento muy pronunciado y señala el tiempo en que
ocurrió.
El control estadístico del proceso permite relacionar la ocurrencia de los problemas con
su coste asociado, de modo que muestra la frecuencia de los mismos dando prioridad a los de
mayor coste. De este modo pueden determinarse las causas y los efectos (análisis de árbol de
fallos) y realizar los estudios de correlación y de influencia de parámetros en la marcha del
proceso.
Y así puede averiguarse si un instrumento está averiado en el sentido de que ha quedado
bloqueado en su señal de salida, si una válvula de control está con el obturador agarrotado por
deformación del vástago o por otra causa, si los puntos de indicación de algunas variables han
variado significativamente para que puedan representar algún problema de desviación, etc.
El sistema puede trabajar en tiempo real con leyes de probabilidad de las variables para
los valores no aleatorios y presentar los gráficos en forma de gráficos de tendencia, de tablas y
de gráficos en general. Este tipo de control, mediante visualizaciones especiales, alerta al
operador para que pueda actuar sobre un proceso.
Los beneficios que proporciona este sistema abarcan: evitar paros de la planta, impedir
que las variables salgan fuera de control (dentro de los posible), asistir al departamento de
mantenimiento en los programas de mantenimiento preventivo.
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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL
ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO
Figura 56: Simbología de dispositivos utilizados en control digital
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