1 - Cenidet

S.E.P.
S.E.I.T.
D.G.I.T.
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
cenidet
YIMULACI~NY CONTROL DE UNA PLANTA
TERMOELÉCTRICA UTILIZANDO
INTERFACES GRÁFICAS~
TESIS
PARA OBTENER EL GRADO DE CENTRO DE INFORMALIC;~
MAESTRO
EN
CIENCIAS -% C F N I D F I
EN INGENIERÍA ELECTR~NICA
P R E S E N T A :
RAMÓN LIZARDI RODRÍGUEZ
r-, -
DIRECTOR DE TESIS:
DR. ENRIQUE QUINTERO MÁRMOL M.
CUERNAVACA, MOR
I
MARZO 1998
98-0382.
S.E.P.
S.E.I.T.
D.G.I.T.
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACI~N
Y DESARROLLO TECNOL~GICO
cenidet
“SIMULACIÓN Y CONTROL DE UNA PLANTA
TERMOELÉCTRICA UTILIZANDO
INTERFACES GRÁFICAS~
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS
EN WGENIERÍAELECTR~NICA
PRESENTA:
RAMÓN LIZARD1 RODRÍGUEZ
Ingeniero Electrónico en Instrumentación por el
Instituto Tecnológico de Ciudad Guzman
DIRECTOR DE TESIS:
DR ENRIQUE QUINTERO MÁRMOL M.
CUERNAVACA, MOR
MARZO 1998
S.E.P
S.E.1.T
S.N.1.T
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
cenider
ACADEMIA DE LA MAESTRIA EN ELECTRÓNICA
FORMA R11
ACEPTACION DEL TRABAJO DE TESIS
Cuernavaca, Mor. a 10 de Noviembre de 1997.
Dr. Juan Manuel Ricaño Castillo
Director del cenidet
Presente
At’n. Dr. Jaime E. Arau Roffiel
Jefe dcl Dcpto. dc Elcclróiiica
Después de haber revisado el trabajo de tesis titulado “Simulación y control de una planta
termoeléctrica utilizando interfaces gráficas”, elaborado por el alumno Ramón Lizardi
Rodriguez, bajo la dirección del Dr. Enrique Quintero Mármol Márquez, el trabajo presentado
se ACEPTA para proceder a su impresión.
AT EN T A MEN T E
_,
adriga).Éspinosa
Mendoza Escobar
C.C.P.:
M.C. Javier Meneses Ruíz / Pdte. de la Academia de Electrónica
Ing. Jaime Rosas Alvarez / Jefe del Depto. de Servicios Escolares
Expediente.
ceniáet/
Interior lntcrnado Palmira SI” C P 62490
Apartado Postal 5-164, C P 62050. Cuernavaca Mor, Mexico
Tels (73) 18-77-41 y 12-76-13,Faw 12-24-34
SISTEMA NACIONAL DE INSTITUTOS TECNOLOGICOS
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO
Cuemavaca, Morelos a 19 de Febrero de 1998
Ing. Ramón Lizardi Rodriguez
Candidato al grado de Maestro en Ciencias
en ingeniería Electrónica
Presente
Después de haber sometido a revisión su trabajo final de tesis titulado: “SIMULACIÓN Y
CONTROL DE UNA PLANTA TERMOELÉCTRICA UTILIZANDO INTERFACES
GRÁFICAS”, y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el jurado revisor de tesis le
hizo, le comunico que se le concede autorización para que proceda a la impresión de la misma,
como requisito para la obtención del grado.
Reciba un cordial saludo.
ATENTAM
C.C.P.:
1N T E ‘
Jefe de Servicios Escolares
Expediente
.
.
s.L P.
D. G. I. T:
ENTRO NACIONAL UE INVESllGACi6N
Y DESARROLLO EClWL6aiCO
SUBDlR?Cc16NAcAD&WA
L 1.
Teis (73) 18-77-41 y 12-76-13, Fax 12-24-34
AGRADECIMIENTOS
POR QUE SIN TU VOLUNTAD NADA PUEDE EL HOMBRE
GRACL4S DIOS M I 0 POR TODO
DOÑA MARIA Y DON RAMON, PADRES M O S , LES AGRADEZCO
INFINITAMENTE LA YIDA QUE ME HAN PERMITIDO COMPARTIR CON
USTEDES. LOS QUIERO MUCHO.
MARIO, HERMANO AUN RECUERDO CUANDO DE NIÑOS NOS
PROTEGIAMOS MUTUAMENTE.
GRACIAS ELIAS POR TUAPOYO YAMSTAD.
A TODOS MS COMPAÑEROS Y MAESTROS LES AGRADEZCO QUE ME
HAYAN COMPARTIDO SUS CONOCIMENTOS Y EXPERIENCIA.
GRACIAS DR. ENRIQUE QUINTERO POR SU PACIENCIA Y CONSEJOS
PARA REALIZAR ESTE TRABAJO DE TESIS.
MAESTROS:
MARINO SANCHEZ
GUADALUPE MADRIGAL
Y PEDRO RAFAEL
ME PERMITO EXPRESARLES M RECONOCIMIENTO Y GRATITUD.
GRACIAS AL CENIDETPOR A B R I M E SUS PUERTAS Y CONTRUBUIR A
FORMARME EN ESTA ETAPA DE M I VIDA.
GRACIAS AL CONACYT POR EL APOYO ECONOMCO QUE ME
BRINDO, SIN EL CUAL DIFICILMENTE HUBIERA PODIDO LLEGAR A
CONCLUIR M TRABAJO DE TESIS.
AL SER QUE ME HA P E W T I D O COMPARTIR
LOS ULTIMOS DIAS DE UNA VLDA.
AL SER QUE ME HA PERMITDO COMPARTIR
LOS PRIMEROS INSTANTES DE UI NUEVA VIDA.
GRACIAS LAURA PORQUE ERES TODO LO QUE
AUN SIN ESPERAR NI BUSCAR YO ANHELO.
Tabla de contenido
TABLA DE CONTENIDO
Sección
Página
Lista de tablas
Lista de figuras
iv
RESUMEN
1
V
2
Objetivo
Organización de la tesis
5
5
CAPÍTULO 1
UNIDAD TERMOELÉCTRICA 0
6
1.1
1.2
1.3
1.4
6
7
10
11
Introducción
Descripción de una unidad termoeléctrica (UT)
Modos de operación de las unidades de generación
Modos de control de las unidades de generación
CAPÍTULO 2
DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE LA UT
15
2.1 Introducción
2.2 Modelo matemático del proceso
2.2.1 Modularización del modelo
2.3 Modelo del sistema de control de la UT
2.3.1 Elementos del sistema de control en la UT
15
15
16
21
27
1
Tabla de contenido
CAPÍTULO 3
IMPLANTACI~NDEL MODELO DE LA UT CON EL
SOFTWARE DE INTERFACES GFtÁFICAS
40
3.1 Introducción
3.2 Descripción del soffware de interfaces gráficas
3.2.1 Análisis de Sirnulink
3.2.2 Análisis de VisSim
3.2.3 Conclusión
3.3 Modelo computacionai de la UT
3.3.1 Módulos del proceso
3.3.2 Estructura de los módulos de proceso
3.3.3 Módulos de control
3.3.4 Componentes básicos de los lazos de control
3.4 Simulación de la UT
3.5 Verificación estática del simulador de la UT
40
40
41
42
43
44
44
45
46
47
49
73
CAPÍTULO 4
PRUEBAS DE VALIDACI~NY ANALISIS DE RESULTADOS
DE LA SIMULACI~N
4.1 Introducción
4.2 Pruebas propuestas y condiciones de prueba
4.2.1 Prueba 1. Disminución del 100% al 77.5% de carga al 15% por minuto
4.2.2 Prueba 2. Disminución del 77.5% al 50% de carga al 15% por minuto
4.2.3 Prueba 3. Incremento del 50% al 77.5% de carga al 15% por minuto
4.2.4 Prueba 4. Incremento del 77.5% al 100% de carga al 15% por minuto
4.2.5 Prueba 5. Disminución del voltaje en un escalón del 30% al 77.5% de carga
4.2.6 Prueba 6. Disminución de frecuencia de 60 a 56 H z en 20 segundos
4.2.7 Prueba 7. Pérdida de un par de ventiladores (un VTF y un VTI)
74
74
74
75
79
83
86
90
93
97
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES
1O0
REFERENCIAS
102
..
U
Tabla de contenido
APÉNDICE A
NOMENCLATURA DE LAS VARIABLES
105
APÉNDICEB
PARÁMETROS DE LOS MÓDULOS DE LA UT
110
B. 1 Introducción
B.2 Parámetros de los módulos del proceso de la UT
B.3 Parámetros de los módulos del sistema de control de la UT
110
110
136'
APÉNDICE c
VALORES DE LOS ESTADOS Y LAS VARIABLES
ALGEBRAICAS DE LA UT
142
C. 1 Estados de la planta
C.2 Estados del sistema de control
C.3 Variables algebraicas de la UT
142
143
144
APÉNDICE D
MANUAL DEL USUARIO
148
-.
.
-
~ . .
Tabla de contenido
LISTA DE TABLAS
Tabla Título
Página
2.1
2.2
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
4.1
4.2
4.3
A. 1
D. 1
25
39
41
43
45
47
73
78
82
89
106
149
Variables de estado del proceso
Variables de estado del sistema de control
T i p s de Syunction
Comparación de las características de Sirnulink y VisSim
Archivos ejecutables de los módulos del proceso
Módulos del sistema de control
Parámetros modificados para validar el funcionamiento estático del simulador
Comparación de los valores en estado estable de la simulación ai 77.5%
Comparación de los valores en estado estable de la simulación al 50%
Comparación de los valores en estado estable de la simulación ai 100%
Nomenclatura de las variables de la UT
Archivos ejecutables por el paquete de interfaces gráficas
iv
Tabla de contenido
LISTA DE FIGURAS
Figura
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.1 1
3.1
3.2
3.3
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Título
Unidad termoeléctrica de vapor simplificada
Unidad termoeléctrica de vapor de 600 Mw
Modo caldera en seguimiento de turbina
Modo turbina en seguimiento de caldera
Modo coordinado
Esquema general de la UT modularizada
Diagrama esquemático de la trayectoria aire-gases
Diagrama del control de combustión
Diagrama del control de la presión en el hogar
Diagrama del control de la turbina impulsora de la bomba del
agua de alimentación
Diagrama del control del flujo de agua de alimentación y nivel en el domo
Diagrama del control del flujo de condensado
Diagrama del control de temperatura en el sobrecalentador
Diagrama del control de los gases de recirculación
Diagrama del control de temperatura en el recalentador
Diagrama del control de la turbina
Ejemplo para solucionar una ecuación implícita
Esquema general de la simulación de un sistema fisico
Diagrama de un controlador PID con antisaturación del término integral
Tendencias de la prueba 1: Disminución del 100%al 77.5% de carga
Tendencias de la prueba 2: Disminución del 77.5% al 50% de carga
Tendencias de la prueba 3: Incremento del 50% al 77.5% de carga
Tendencias de la prueba 4: Incremento del 77.5% al 100% de carga
Tendencias de la prueba 5: Disminución del voltaje de linea en un escalón
del 30% ai 77.5% de carga
Tendencias de la prueba 6: Disminución de la fiecuencia de linea de
60 a 56 Hz.en 20 segundos al 77.5% de carga
Tendencias de la prueba 7:Pérdida de un ventilador de tiro inducido (vT1)
y uno de tiro forzado (VTF) al 100% de carga
Página
6
10
12
13
14
26
26
29
30
31
32
33
34
35
36
38
43
46
48
76
80
84
86
91
94
98
V
RESUMEN
En este trabajo se modulariza y adapta al ambiente gráfico el modelo simplificado de una
unidad termoeléctrica de 600 Mw. [Usoro, 19771, además se realiza la simulación del mismo en
una computadora personal. Para ello se analizan 2 paquetes de sofrwae comercial de interfaces
gráficas (Simulink y VisSim), seleccionando VisSim.
La utilización de interfaces gráficas permite aprovechar las ventajas que okecen los
paquetes comerciales para el modelado y la simulación de procesos complejos, tales como
unidades de generzición de energía eléctrica.
Dicho modelo es no h e a l de orden 47 y válido para un rango de operación del 40% al
100% de carga. Con 23 variables de estado que describen la dinámica del proceso y 24 el esquema
de control. El proceso consta de 266 ecuaciones algebraicas y 190 parámetros, mientras que el
esquema de control es convencional con 266 ecuaciones algebraicas y 128 parámetros.
Los parámetros del proceso representan dimensiones y constantes ñsicas de los equipos
modelados, y los coeficientes representan distintas correlaciones de propiedades termodinámicas.
Por su parte, los parámetros del modelo del sistema de control incluyen: límites de las variables de
control, parámetros de los controladores, puntos de operación, ganancias y constantes de tiempo
de los controladores. Los valores iniciales de los estados al 100% de carga se obtuvieron del
modelo adaptado [usoro, 19771, además de los valores numéricos del total de los parámetros.
El proceso se divide en 22 módulos que pueden ser simulados independientemente, por
sistema @or ejemplo caldera lado aire gases, sistema agua de alimentación, etc.) o en
configuración de unidad termoeléctrica. La codificación de los módulos del proceso está hecha en
lenguaje C mediante archivos tipo DLL (librerías unidas dinámicamente), los cuales son librerías
precompiladas de funciones que son ilamadas al ejecutarse la simulación del módulo en el paquete
de interfaces gráficas [VisSim, 19941. Además de que la totalidad de los parámetros pueden ser
modificados en línea (ejecutándose la simulación).
El esquema de control consta de 11 lazos de control divididos en 7 módulos, los cuales se
han programado en el lenguaje gráfico propio del paquete de interfaces s a c a s (VisSh). Se optó
por este tipo de programación para que el usuario tenga acceso tanto a la estrategia de control
como a todos los parámetros del mismo y pueda m o d ~ c a ambos.
r
De esta manera se obtiene una plataforma de desarrollo sobre la cual se pueden c o d m a r
distintas unidades termoeléctricas y aplicar nuevas técnicas de control para evaluar las ventajas y
desventajas que offecen dichos esquemas. Otra aplicación del simulador desarrollado en este
trabajo puede ser en la capacitación de operadores para la estandarización de procedimientos de
operación de la unidad termoeléctrica.
1
La generación de energía eléctrica es indispensable para el desarrollo de cualquier pais, es
por esto que los problemas asociados a la generación de energía deben resolverse rápida y
eficientemente ya que impactan de forma directa el desarrollo económico.
En México, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) es el organismo encargado de la
pianeación, generación y distribución de la energía eléctrica del país. En 1995 con 78 centrales de
generación de energía eléctrica coordinadas por el Centro Nacional de Control de Energía
(CENACE); la CFE generó 142,344 Gwh. de los cuales el 80.65% (1 14,810 Gwh.) fue producto
de centrales termoeléctricas (constituidas al menos por un par de unidades termoeléctricas)
[INEGI, 19961, de ahí la necesidad del estudio de este tipo de unidades.
Una unidad termoeléctrica (UT) es un conjunto de elementos, que integrados son capaces
de transformar la energía química contenida en combustibles fósiles (combustóleo, gas, diesel y
carbón mineral) en energía eléctrica [Bol-IIE, 19831. Una unidad termoeléctrica de vapor utiliza
vapor como medio de trabajo.
Con base en el principio de que la energía no se crea ni se destruye sino que se transforma,
el proceso de transformación de energía para obtener energía eléctrica en una unidad
termoeléctrica de vapor, puede descniise como sigue [Ojeda, 19861:
1. La energía química latente del combustible se libera en forma de calor durante el proceso de
combustión en el hogar del generador de vapor.
2. La energía térmica liberada del combustible pasa al agua por las tres formas de transferencia de
calor (radiación, conducción y convección), transformándola en vapor con energía calorífica y
de presión.
3. La energía caloríñca y de presión se transf rma en energía cinética en la turbina por expansión
interna del vapor.
4. La energía eléctrica obtenida se conduce a quipos de transformación y transmisión.
I
Para satisfacer la demanda interna e energía eléctrica, la CFE promueve tanto la
f
de los sistemas de control de las ya
instalación de nuevas unidades como la mI dernización
existentes y asi mejorar la disponibilidad, ciencia y confiabilidad en la operación de estas
unidades.
2
Introducción
La función básica de una UT es suministrar la potencia demandada por 10s usuarios con un
alto grado de confiabilidad La mayor parte de las incertidumbres y complejidades en la operación
de la UT provienen de las variaciones de dicha demanda, la cual es demasiado severa para la
unidad. Lograr una operación eficiente de la UT no es tarea fficcil, ya que la unidad es un sistema
altamente no lineal, en el que intervienen un número considerable de variables con un alto grado
de interacción entre ellas. La operación eficiente de la UT está condicionada a la implantación de
un sistema de control que contemple las caracteristicas anteriores. Tal sistema de control podría
obtenerse realizando evaluaciones exhaustivas de estrategias y conñguraciones de control en la
operación de la UT.
En el desarrollo de un sistema de control que se aplicará en una UT, primero es necesario
poder conocer a profundidad las características dinámicas de la planta bajo condiciones extremas
de operación, para determinar los requerimientos que deberá cubrir el nuevo sistema de control.
Una vez que se conocen, se puede desarrollar el nuevo sistema, y a continuación es necesario
validarlo antes de su aplicación en la UT. Si esta validación se realiza sobre la planta real podrían
originarse riesgos y problemas que dañen los costosos equipos que integran la unidad.
De aquí surge la necesidad de contar con herramientas computacionales que permitan
hacer simulaciones de procesos que emulen al proceso real, bajo condiciones extremas de
operación. De esta forma se podrán conocer a profundidad las dinámicas de la planta y hacer todas
las pruebas y ensayos que se requieran para implantar sistemas de control, que permitan eficientar
la operación de la UT.
Para el diseño y la simulación dinámica de plantas termoeléctricas se requiere de un modelo
matemático del proceso de transformación de la energía. Esto consiste en establecer las relaciones
fisico-químicas que se llevan a cabo en cada componente de la UT, basadas en los principios
bbicos de la conservación de masa, energía y momentum. A este conjunto de ecuaciones
algebraico-diferenciales se le conoce como modelo matemático de la unidad. Dependiendo del
grado de complejidad de estas relaciones, se obtendrá un modelo más fiel del proceso; aquí
interviene el criterio del anaiista para deñnir el alcance que se quiera perseguir: para diseño o para
evaluación de comportamiento.
La simulación desde hace muchos años, ha sido considerada como una de las herramientas
más importantes tanto para el entrenamiento de operadores de equipos complejos, como para el
diseño de sistemas o procesos. Las ventajas de un simulador, para el caso de entrenamiento, es
que se pueden reproducir cualquier tipo de condiciones de operación cuantas veces sea necesario,
sin poner en riesgo la seguridad del personal y de las instalaciones. Con ello, también se asegura la
estandarización de procedimientos, redundando en una mejor operación de la unidad. Por otro
lado, la simulación presenta grandes ventajas para el diseño de plantas y sus sistemas de control,
dado que permite hacer variaciones en el diseño, prácticamente sin costo, y evaluar diversas
técnicas sin poner en riesgo la unidad.
3
La complejidad del modelo matemático de la UT, dificulta el manejo del mismo debido a
10s r e c ~ necesarios
~ s
de almacenamiento de datos y tiempo computational. una de 1% técnicas
usadas para resolver este problema es el de subdividir ese modelo en módulos más manejables.
El estado actual a nivel nacional del modelado y la simulación de unidades de generación
de energía eléctrica en general, es el siguiente [Jiménez, 19951:
En [Bol-IIE, 19921 se presenta el modelado y la simulación del reactor nuclear de la Central
Laguna verde. Con los modelos del reactor se simuian en tiempo real sus procesos nucleares y
termohidráulicos.
En [Ojeda, 19861 se describe un algoritmo para el ordenamiento de un sistema de ecuaciones
algebraicas no lineales, para reducir el grado de acoplamiento entre ellas, aplicado a la
simulación dinámica de procesos.
En [Bol-IIE, 19921 se mencionan el uso de sistemas abiertos, en la elaboración simuladores, de
manera que estos sean transportables entre diferentes plataformas.
En [Fernández, 19841 se reaiiza la caracterización de las dinámicas de los procesos de una
unidad termoeléctrica, mediante el uso de simulación.
En [Muiloz, 19941 se presenta la aplicación de algoritmos auto-ajustables predictivos al control
de una turbina de vapor, usando simulación.
En [Mar, 19931 se presenta el desarrollo de un esquema híírido de regulación bajo un ambiente
de control digital distribuido, aplicado a una unidad termoeléctrica de 300 Mw. usando
simulación
Sobre trabajos relacionados con respecto a esta tesis se tienen:
[usoro, 19771 presenta el desarrollo de un modelo matemático y el simulador, para una unidad
termoeléctrica de 600 Mw.
[Méndeg 19801presenta una adaptación del modelo matemático de la unidad termoeléctrica de
[Vsoro, 19771 a un modelo matemático válido para representar el comportamiento de una
unidad termoeléctrica de 300 Mw.
[González, 19831 realizó la simulación del modelo matemático obtenido por [Méndez, 19801.
[Ojeda, 19861 describe el ordenamiento de un sistema de ecuaciones algebraicas no h e d e s ,
para reducir el grado de acoplamiento entre ellas, aplicado a la simulación del modelo de la
unidad termoeléctrica obtenido por [Méndez, 19801.
pemández, 19841 presenta la caracterización de las dinámicas del modelo de la unidad
termoeléctrica de 300 Mw., obtenida mediante simulación.
[Clair, 19891 presenta diversas técnicas para realizar la identificación de la dinarnica de un
proceso.
[Jiénez, 19951 realizó la simulación del modelo matemático obtenido por [Méndez, 19801 en
un sistema abierto (sistema IBM RS/6000), bajo el sistema operativo UNIX y obtuvo las
matrices de transferencia del modelo a diferentes niveles de carga (So%, 75% y 100% de
carga).
4
Introducción
El Objetivo de este trabajo de tesis consiste en adaptar al ambiente gráfico el modelo
simplificado de una planta termoeléctrica, de modo que pueda ser fAciImente conñgurable para el
ajuste de parámetros tanto de proceso como de control.
La idea de desarrollar un trabajo de este tipo surgió de la necesidad de aprovechar las
ventajas que ofiecen los paquetes comerciales de interfaces gráficas para el 'modelado y la
simulación de procesos complejos, tales como unidades de generación de energía eléctrica.
Estas ventajas son:
1. Capacidad para el diseño y la simulación de modelos de sistemas no lineales y complejos.
2. La programación de los modelos puede llevarse a cabo en forma gráfica (útil para la simulación
del esquema de control) y en lenguajes de alto nivel, tal como C (necesario para la simulación
3.
4.
5.
6.
del proceso).
Capacidad para modularizar un modelo.
Permiten la modficación de parámetros en h e a (ejecutándose la simulación).
Okecen gráficos de alta calidad.
Presentación de mímicos.
Organización de la tesis
La presente tesis consta de 5 capítulos. En el capítulo 1 se describe el sistema de control y
los procesos físicos involucrados en la operación de las unidades termoeléctricas.
En el capítulo 2, se describe el modelo matemático de la UT, se explica la modularizaci6n a
la que fue sometido dicho modelo y se presenta también el modelo matemático del sistema de
control de la misma. La implantación del modelo de la UT en una computadora personal bajo un
ambiente gráfico se describe en el capítulo 3; además se presenta el acoplamiento del simulador y
su estructura &ai.
En el capítulo 4 se muestran las pruebas llevadas a cabo sobre el simulador, con el fin de
validar su operación en estado d&co
y en estado estable. Se presentan también los balances de
energía del modelo a diferentes niveles de carga. En el capítulo 5 se establecen las conclusiones
obtenidas de este trabajo y se incluyen comentarios sobre posibles desarrollos futuros relacionados
con el mismo.
En la parte final se presenta la bibliograña y las referencias utilizadas en este trabajo, así
como diversos apéndices de soporte donde se muestra la nomenclatura utilizada para nombrar las
variables, los parámetros de los módulos de la UT, los valores de los estados y las variables
algebraicas al loo%, 77.5% y 50% de carga, además del manual del usuario.
5
Capítulo 1
Unidad termoeléctrica
CAPÍTULO 1
UNIDAD TERMOELÉCTRICA (UT)
1.1
Introducción
1. Vapor
2. Gas
3. Ciclo combinado (vapor y gas)
4. Combustión interna
Energía Conversión de energía Medio de transferencia Conversión de energía Conversión de energía Energía
química química a térmica
de energía
térmica a mecánica
mecánica a eléctrica elécirica
w
Generador de vapor
Combustible
íc
Agua de alimentación
Figura 1.1 Unidad termoeléctrica de vapor simplificada [ Bol-IIE, 19831.
6
Capítulo 1
Unidad termoeléctrica
A continuación se presenta la descripción del proceso de transformación de energía y el
control de una unidad termoeléctrica.
1.2
Descripción de una unidad termoeléctrica (UT)
Partiendo de la forma más simple de una unidad termoeléctrica compuesta por un
generador de vapor de agua y una turbina que al recibir el flujo de vapor gira a la misma velocidad
(generalmente) que el generador eléctrico, a continuación se especifica más detalladamente el
proceso de transformación de energía mencionado en la introducción de esta tesis [Ojeda, 19861.
La figura 1.2 presenta el esquema de una unidad termoeléctrica de vapor de 600 Mw
[vsoro, 19771. Si se analiza por partes este sistema, se encuentra que no sólo lo integran un
generador de vapor de agua, un conjunto de turbinas y un generador eléctrico; sino que existen
otros elementos necesarios para su funcionamiento. Primero se tiene el fuego en el hogar del
generador de vapor. Este elemento no involucra sólo el combustible que va a usarse sino la forma
de colocarlo (paralelo o turbulento) en el hogar para obtener un encendido adecuado.
Al quemarse el combustible se produce una reacción química. Por ejemplo si se trata de
carbón, cuando éste es calentado a una temperatura suficientemente alta, con la presencia de ake,
puede formar combinaciones para obtener dióxido de carbono (COZ)o monóxido de carbono
(CO). Cada uno de estos gases se forma dependiendo de la cantidad de oxígeno presente. La
formación de CO indica que el carbón es quemado parcialmente, pero si el CO se combina con
más oxígeno se forma el COZ.Para obtener todo el calor que fluye del combustible, es necesario
que en el hogar del generador de vapor se obtenga siempre todo el COZque sea posible.
El proceso de combustión implica el conocimiento de la composición de los combustibles,
su condición fisica, su comportamiento bajo varias condiciones de temperatura, humedad, etc. La
combustión es un proceso estimulado por el calor y no se inicia hasta que el combustible es
quemado a la temperatura necesaria. Por esta razón debe mantenerse una temperatura alta en el
hogar, por lo que el aire debe ser calentado para la combustión antes de ingresar al hogar y así
aumentar tanto la combustión como la eficiencia de ésta.
El proceso anteriormente descrito involucra los siguientes elementos de la UT (ver figura
1.2): hogar, quemadores, caja de aire, calentador de aire, ventilador de tiro forzado, ventilador de
tiro inducido y el flujo de combustible.
Para mejorar la eficiencia de un generador de vapor, se requiere considerar otros aspectos.
Por ejemplo, para operarlo se requiere mantener suficiente agua en el domo, por 10 que es
necesario contar con un alimentador de agua que tenga una válvula de control que permita regular
el flujo automáticamente cuando el agua en el domo se incremente o disminuya.
7
Capítulo 1
Unidad termoelécirica
Otra cosa importante que debe considerarse es que el agua que se bombea al domo del
generador de vapor no debe estar íita ya que podría disminuir la temperatura del agua que se
encuentra en el domo y por consiguiente reducir la generación de vapor. También la introducción
de agua í?hpuede ocasionar deformaciones en la tubería (paredes de agua) del generador de
vapor debido a la gran diferencia de temperatura. Este aspecto hace ver la necesidad de calentar el
agua a la temperatura más alta posible antes de bombearla al domo, es decir, en la trayectoria
desde el alimentador de agua hasta el domo del generador de vapor.
Si bien el agua que sale del alimentador puede ser calentada por separado con algún
combustible, es más económico calentarla con el calor que se escapa de otro lado del sistema.
El lado agua-vapor del generador de vapor es integrado por dos cabezales (cilindros) de
acero conectados por un gran número de tubos también de acero y colocados de tal manera que
los gases calientes del hogar tengan que pasar a través de las paredes de tubos en su trayectoria
hacia la chimenea y posteriormente a la atmósfera. La superficie total de los tubos es grande, lo
que hace posible absorber una gran porción de calor. Las burbujas de vapor formadas en las
paredes de agua llegan al domo donde el vapor se recolecta antes de que éste fluya a la turbina de
alta presión a través del sobrecalentador.
Como el vapor fluye fuera del generador de vapor, es obvio que se debe reponer el agua
que se ha evaporado y en este caso la bomba de alimentación es n e c e d a . Esta bomba debe
operar a una presión suficientemente alta para que pueda superar la presión en el domo. Para
monitorear el nivel del agua en el domo se coloca un medidor de nivel que muestra el nivel del
agua en el domo todo el tiempo. Si la cantidad de vapor que sale del generador de vapor es
siempre igual a la cantidad de agua que entra al mismo, entonces el nivel de agua en el domo
permanece constante. Es importante señalar que las variaciones en el suministro de combustible y
de aire causan variaciones en la calidad de la combustión, las cuales a su vez se convierten en
variaciones en el porcentaje de evaporación y todas ellas causan cambios en el nivel del agua en el
domo.
Para hacer eficiente el proceso disminuyendo costos, es necesario agregar una pared
separada de tubos a través de los cuales el agua de alimentación pase antes de ingresar al domo.
Esta pared de tubos es colocada en la trayectoria en que los gases viajan hacia el calentador de aire
y la chimenea. La mayor parte del calor en esos gases ha sido absorbida por las paredes de agua, el
sobrecalentador y el recalentador, pero no todo. Si se logra que los gases viajen a través de esta
nueva pared de tubos, se absorbe todavia m á s el calor con un consecuente ahorro. Por esta razón
a esta pared de tubos se le conoce como economizador.
Los elementos involucrados en el proceso descrito anteriormente son los siguientes (ver
figura 1.2): bomba del agua de alimentación, calentadores de alta presión del agua de
alimentación, economizador, domo, tubos bajantes y paredes de agua.
8
Capítulo 1
Unidad termoeléctrica
Esencialmente se puede decir que una turbina es como un molino de viento, pero es tn&
complejo, con cientos de álabes, algunos estacionarios y otros girando. Estos dabes están
arreglados en grupos por donde el vapor es forzado a pasar sucesivamente.
El vapor que escapa de la turbina puede ser usado para calentar el agua en el alimentador
de la misma manera que se usa el vapor que se escapa del calentador de la bomba de alimentación.
La mejor manera de disponer del vapor que se escapa, es crear un vacío en el escape final
de la turbina. Con este ñn se anexa un recipiente grande hueco al escape abierto de la turbina y se
instala una pared de pequeños tubos en el recipiente a través de los cuales se puede bombear agua
fiía.
De esta manera el vapor que fluye de la turbina entra en contacto con los tubos MOS
y se
convierte en agua (por condensación). El recipiente está hecho de acero pesado capaz de resistir la
presión de la atmósfera sin colapsarse. Ya que el agua fiía continúa su flujo a través de los tubos,
el proceso es continuo. UM conversión de vapor en agua se estabiliza y existe un estado estable de
vacío dentro del recipiente. Técnicamente tal recipiente es llamado un condensador. El cual tiene
dos propósitos, primero, crear un vacío en el escape de la turbina y segundo recuperar lo
condensado (vapor condensado) de tal manera que pueda ser usado nuevamente en el generador
de vapor. Este condensado es agua destilada, muy pura y por lo tanto en condiciones adecuadas
para la bomba de alimentación.
Se construye otro pequeño compartimiento en la parte baja del condensador para tener un
lugar donde el agua condensada pueda recogerse y ser bombeada a los calentadores de baja
presión del agua de alimentación, este lugar es ilamado el pozo caliente.
En el proceso descrito anteriormente interactuan los siguientes elementos (ver figura 1.2):
turbinas de alta presión, presión intermedia y baja presión, condensador y bombas de extracción de
condensado.
El vapor producido en el generador de vapor fluye a través del sobrecalentador de vapor a
la turbina de alta presión. En la turbina pasa sucesivamente a través de varias toberas, perdiendo
presión en cada una de ellas y dejando su energía en los álabes de las mismas. De la turbina de alta
presión el vapor fluye hacia el generador de vapor para recuperar condiciones de presión y
temperatura. Esto sucede en el recalentador, posteriormente el vapor ingresa a la turbina de
presión intermedia y de ahí a la de baja presión, ocurriendo lo mismo que en la etapa de alta
presión. La energía absorbida por los álabes de la turbina mueve el generador eléctrico y produce
la electricidad. Emergiendo del escape abierto en la parte baja de la turbina, el vapor entra al
condensador donde se condensa en los tubos a través de los cuales circula el agua fib. Este Último
proceso involucra principalmente los siguientes elementos (ver figura 1.2): sobrecalentador
primario, sobrecalentador secundario y recalentador.
9
_-
Capítulo 1
Unidad termoel&trica
La condensación del vapor crea un vacío, el cual reduce la presión anterior ya que de otro
modo impediría el flujo de vapor en un espacio considerable. El vapor condensado se recolecta en
el pozo caliente del condensador y de ahí fluye a los calentadores de baja presión del agua de
alimentación incluyendo el desgasiñcador, por medio de las bombas de extracción de condensado.
Con lo anterior se cierra completamente el sistema. Toda el agua que se convierte en vapor
en el generador de vapor, se convierte en agua en el condensador y ésta es bombeada nuevamente
al generador de vapor. Por su puesto existen pequeñas pérdidas en diferentes puntos del sistema.
Para compensar dicha pérdida, se bombea una mínima cantidad de agua tratada al sistema.
del agua de alimentaci6n
................. .
Calentador de alta presi6n
del agua de alhentuci6n
Bombadelagua
de alhmtaci6n
'
. .
Figura 1.2 Unidad termoeléctrica de vapor de 600 Mw.
1.3
Modos de operación de las unidades de generación
A continuación se describen brevemente los conceptos y operaciones relacionadas con el
sistema de control de una UT.
Una central termoeléctrica de vapor típica consta de una o más unidades de generación,
integradas por un generador de vapor, varias turbinas y uno o más generadores eléctricos
(dependiendo de la disposición de las turbinas) y equipos auxiliares.
Capítulo 1
Unidad temoeléctrica
Como no existe un medio económico para almacenar grandes cantidades de energía
eléctrica, ésta se consume al momento de generarse. Se ha establecido que la demanda varía sobre
ciclos diarios, semanales y estacionarios. Para cubrir dicha demanda las unidades de generación
pueden operarse en las siguientes formas [ Bol-IIE, 19831:
a) Generación base
Las unidades trabajan generando a un nivel de carga constante durante períodos
prolongados. En este caso, es común encontrar unidades de gran tamaño (de más de 500 Mw.),
debido a que sus generadores de vapor no toleran demandas cambiantes una vez que han
alcanzado un balance térmico.
b) Generación controlada
Las unidades pueden ajustar su generación a una demanda cambiante siempre que las
variaciones de carga no sean drásticas. Por lo común, se trata de unidades de mediano y pequeño
tamaño. Esta forma de operación también se conoce como “seguimiento de carga”. Las unidades
que operan en esta forma participan en el control de kecuencia del sistema eléctrico nacional.
c) Generación para “horas pico”
En las horas de mayor demanda entran en operación unidades de gas, ciclo combinado O
hidráulicas y participan en el control de fiecuencia del sistema. Estas plantas tienen la ventaja de
arrancar, parar y controlar su generación con granrapidez.
d) Reserva de generación
Por lo general, las unidades que participan en el control de kecuencia se mantienen
operando por debajo de su capacidad máxima para mantener una reserva de generación que puede
utilizarse en casos de extrema demanda.
1.4
Modos de control de las unidades de generación
A tin de satisfacer la demanda, las unidades de generación pueden disponerse para
operación, en tres modos de control. Cada uno de éstos asigna a diferentes equipos de la unidad la
tarea de generar energía eléctrica y mantener las condiciones de operación para su continuo
funcionamiento. Estos modos de control son los siguientes [Bol-IIE, 19831:
11
Capítulo 1
Unidad termoeléctrica
a) Caldera en seguimiento de turbina
La señal de variación de carga conectada al sistema obliga ai gobemador de la turbina a
modificar la apertura de la válvula de estrangulamiento es deck la turbina asume el control de la
potencia generada, en tanto que los controles del generador de vapor se encargan de mantener las
condiciones de presión y temperatura del vapor mediante la modificación del suministro de agua
de alimentación, el flujo de aire para la combustión, el flujo de combustible y la razón de salida de
los gases de combustión.
Si la variación en el nivel de carga requiere un cambio en la energía almacenada en el
generador de vapor, entonces pueden presentarse desviaciones de presión y temperatura alrededor
de sus puntos de ajuste. Para compensarlas es conveniente que los controles del generador de
vapor operen en exceso (usualmente sobrepaso), a ñn de reponer la pérdida de energía y satisfacer
la demanda del nuevo nivel de carga. Debido a ello, la potencia generada puede oscilar alrededor
del valor deseado.
La ventaja de este modo estriba en su habilidad para variar la generación rápidamente,
utilizando la energía almacenada en el generador de vapor. Su desventaja principal es la naturaleza
oscilatoria de la respuesta. La figura 1.3 muestra el esquema de caldera en seguimiento de turbina.
Demanda de
a carga
: : +
+
7
alimentación y la razón
de combustible
LUIILIUI
presión
Figura 1.3 Modo caldera en seguimiento de turbina [Bol-IIE, 19831.
12
Capitulo 1
Unidad termoelécirica
b) Turbina en seguimiento de caldera
En este modo de control, el generador de vapor utiliza la seííai de la variación de carga
para modificar el flujo de agua de alimentación, el consumo de combustible y aire y, la razón de
salida de los gases de combustión. Esto provoca un cambio en la presión del vapor que utiliza el
control de la turbina para modificar la apertura de la válvula de estranguiamiento a ñn de
restablecer la presión a su valor de punto de ajuste. El flujo de vapor, debido al cambio en la
apertura de las válvulas, modifica directamente-el valor de la potencia generada. La ventaja
principal de este modo de control es su gran estabilidad en la respuesta; sin embargo, ésta es
relativamente lenta debido a que la turbina espera, literalmente, hasta que el generador de vapor
haya respondido antes de iniciar cualquier acción. Otra desventaja es que la energía almacenada y
disponible en el generador de vapor no se utiliza plenamente. La figura 1.4 muestra el esquema de
turbina en seguimiento de caldera.
Demanda de carga
Controles del agua de
alimentación y la raz6n
de combustible
1
1
1
Generador
de vapor
Figura 1.4 Modo turbina en seguimiento de caldera [Bol-IIE, 19831.
13
Capítulo 1
C)
Unidad termoeléctrica
Modo coordinado o integrado
En este modo de operación, los controles del generador de vapor y la turbina reciben
sendas señales de la variación de carga. El generador de vapor opera en modo seguimiento de
turbina y produce una rápida respuesta inicial, en tanto que la turbina opera en modo seguimiento
de caldera y logra estabilidad en la respuesta.
La selección de los modos de control depende del tamaño de la unidad y de su forma de
operación. Las unidades de pequeño y mediano tamaño se utilizan por lo común para seguimiento
de carga y, dado que en esta forma de operación deben responder rápidamente a la demanda, se
operan en modo caldera en seguimiento de turbina o en modo coordinado. Para unidades de
generación base a aquellas de capacidad de respuesta limitada se utiliza el modo turbina en
seguimiento de caldera. La figura 1.5 muestra el esquema en modo coordinado.
I
Demanda de carga
Controles del agua de
alimentación y la razón
de combustible
1-
eléctrico
1
Figura 1.5 Modo coordinado [Bol-IE, 19831.
14
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
CAPÍTULO 2
DESCRIPCI~NDEL MODELO DE LA UT
2.1
Introducción
En este capítulo se describen los aspectos más sobresalientes del modelo de la UT usado
para este trabajo. El modelo de la UT se ha dividido en dos partes: modelo matemático del
proceso y modelo matemático del sistema de control.
Del modelo matemático del proceso se describen los módulos que lo integrq se iistan las
variables de estado y se relacionan con los elementos del sistema a los que pertenecen.
Del modelo matemático del sistema de control se explica la base funcional de cada lazo de
control del sistema y se muestran en forma general sus diagramas funcionales utilizando la norma
SAMA.
2.2
Modelo matemático del proceso
El modelo matemático de la UT utilizado en este trabajo de tesis, es el desarrollado por P.
Benedick Usoro [Usoro, 19771, cuya capacidad máxima de generación es de 600 Mw. La UT
modelada utiliza recalentamiento del vapor, precalentamiento del aire y calentamiento del agua de
alimentación para optimizar el ciclo térmico.
El equipo de generación de vapor consta de 20 quemadores de combustible fósil, tiro
balanceado, capacidad para generar 4.2X106 Ibhr de vapor sobrecalentado a una presión de 2600
psig y 1005°F y vapor recalentado desde 625°F a 1000°F.
Seis bombas de circulación controlada (B.C.C.) suministran el flujo de recirculación
requerido; 4 de ellas son capaces de suministrar suficiente flujo para operar la planta a plena carga
durante 30 horas.
Dos ventiladores de tiro forzado (VTF) suministran el aire primario y 2 ventiladores de tiro
inducido (VTI) mantienen la presión en el hogar del generador de vapor al valor deseado.
El sistema utiliza calentamiento regenerativo del agua de alimentación por medio de
calentadores abiertos y cerrados, el flujo del agua de alimentación es proporcionado por 2 bombas
de extracción de condensado y una combinación booster-bomba principai de agua de alimentación
ai generador de vapor.
15
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
La turbina es del tipo tandem compound, (es decir, todo el equipo del gnipo turbina y
generador montado sobre un rotor) tiene una unidad de alta presión, una de presión intermedia Y 2
elementos de doble flujo de baja presión, su velocidad n o d es de 3600 rpm
La turbina ha sido diseñada para vapor sobrecalentado a 2400 psig, 1000°F y vapor
recalentado a 1OOO'F, presión a 2 pulgadas absolutas de Hg en el condensador principal, la turbina
cuenta con las extracciones necesarias para 6 etapas de calentamiento del agua de alimentación
(calentadores de alta y baja presión). La capacidad de generación de la turbina a de 600 MW.
El generador eléctrico se acopla directamente a la turbina y sus características son 685,000
Kva, 3 fases, 60 Hz,22 Kv, eníiiamiento por hidrógeno y un factor de potencia de 0.90.
Las ecuaciones correspondientes a la dinámica del proceso están basadas en principios
básicos de conservación (balances de momentos, balances de energía y balances de masas) [Usoro,
19771, además de relaciones termodinámicas y curvas características del equipo auxiliar. El
enfoque utilizado en la representación del modelo es el de parámetros concentrados [Corripio,
19911y [Himmelblau, 19921.
Si existen varios equipos electromecánicos que desempeñan la misma función, se considera
que todos tienen el mismo comportamiento dinámico. En los equipos donde existen extracciones
de vapor, los flujos de extracción se calculan como una función de los flujos de entrada.
Como resultado de las simplificaciones, el modelo matemático de la UT es no lineal de
orden 47, con 23 variables de estado describiendo la dinámica del proceso y 24 el sistema de
control. Se tiene un sistema con 266 ecuaciones algebraicas e igual número de variables
correspondientes al proceso, mientras que la estrategia de control incluye 266 ecuaciones
algebraicas y 128 parámetros.
2.2.1 Modularízación del modelo del proceso
La complejidad del modelo matemático de una planta generadora de energía, consistente
de un número grande de ecuaciones algebraicas y diferenciales acopladas, dificulta el manejo del
mismo debido a los recursos necesarios de almacenamiento de datos y tiempo computacional. Una
de las técnicas usadas para resolver este problema es el subdividir ese modelo en módulos más
manejables. Esta subdivisión no es un trabajo sencillo ya que no es posible identificar todas las
ecuaciones del modelo desde un principio. Uno de los criterios aplicados en la modularización es
el de basarse en la identificación de subsistemas que formen una función ñsica particular para
formar módulos conteniendo las ecuaciones representativas de dichos subsistemas.
Por su puesto que si se desea encontrar la modularización más adecuada de un sistema es
necesario tomar en consideración otros criterios además del anterior, como el de definir fionteras
entre los módulos matemáticamente independientes eligiendo las fionteras de los módulos en
puntos naturales de desacoplamiento [González, 19841.
16
Capitulo 2
Descripción del modelo de la UT
En este trabajo, el modelo matemático del proceso se ha dividido en partes iiamadas
“módulos”; representando cada uno de eilos una función especíñca. De esta manera cada módulo
describe mediante un conjunto de ecuaciones algebraicas acopladas a un conjunto de ecuaciones
diferenciales ordinarias, una parte del modelo. Físicamente el módulo representa una sección de la
planta, por ejemplo: el domo, el sobrecalentador, la turbina de alta presión, etc. La descripción de
las entradas, parámetros y salidas de cada módulo se muestran en el apéndice B, la relación
entradas-salidas de cada módulo es producto del desacoplamiento funcional del modelo
matemático de la UT.
En total se tienen 16 módulos que representan los sistemas agua y vapor, tanto del
generador de vapor como del grupo turbogenerador; de ellos, los cuatro primeros pertenecen al
lazo de recirculación, los módulos 5 y 7 al sistema caldera lado vapor, el módulo 6 y el 8 integran
el grupo turbina, mientras que el 9 representa al generador eléctrico. Los módulos 10, 11 y 12
representan el sistema de condensado, mientras que el sistema de agua de alimentación a caldera
consta de los módulos 13 a 16.
Los módulos 17 a 22 representan al sistema aire-gases del generador de vapor. El hecho
de tratar en forma independiente al sistema aire-gases es por que se requiere de un proceso
iterativo para su solución. A continuación se presenta una descripción funcional de los módulos
que integran el modelo del proceso.
1. Módulo domo
El domo, los tubos bajantes, las bombas de circulación controlada y las paredes de agua
integran el lazo de recirculación. El líquido saturado sale del domo a los tubos bajantes,
mientras que el vapor saturado de baja calidad entra al domo por las paredes de agua. Los
separadores del domo remueven el líquido del vapor saturado y extraen el flujo de vapor del
domo al sobrecalentador primario. El nivel del agua en el domo se regula controlando el flujo
de agua de alimentación a caldera. Se asume que el vapor y el agua en el domo están en
equilibrio saturado.
Las variables de estado del módulo domo son la densidad del vapor en el domo (pd,) y el
volumen del agua en el domo (vaw).
2. Módulo tubos bajantes
Seis tubos bajantes transportan el agua de recirculación desde el economizador y el domo
hacia las bombas de circulación controlada. Se asume que son despreciables las pérdidas de
calor, los cambios de la energía cinética en los tubos bajantes y flujo incompresible. En este
módulo se calcula el flujo de recirculación.
Este módulo no incluye variables de estado.
17
Capiiulo 2
Descripción del modelo de la UT
3. Módulo bombas de circulación controlada (BCC)
Seis bombas centrífugas suministran el flujo de recircuiación. Cuatro bombas son
suficientes para mantener el flujo a plena carga durante 30 horas. El par de salida del manejador
del motor de inducción es gobernado por sus características par-deslizamiento. Combinado con
las características principales de la bomba, flujo-velocidad, el par se usa en la ecuación de
momento de la bomba para describir la dinámica de las bombas de circulación controlada.
La variable de estado de este módulo es la velocidad angular de las bombas de circulación
controlada (nT).
4. Módulo paredes de agua lado agua-vapor
Las paredes de agua, forman las paredes del hogar del generador de vapor y completan el
lazo de recirculación. La fuente principal de vapor en el generador de vapor se produce
predominantemente en las paredes de agua por transferencia de calor por radiación con los
gases de combustión que posteriormente se utilizan para mantener la temperatura del vapor
recalentado.
La variable de estado de este módulo es la temperatura del metal de las paredes de agua
~~wwm>.
5. Módulo sobrecalentador lado vapor y etapa de atemperación del mismo
La primera etapa de sobrecalentamiento del vapor se realiza por transferencia de calor por
convección y radiación entre el flujo de gases de combustión y el metal que forma al
sobrecalentador primario.
Este elemento se localiza en la parte superior del hogar del generador de vapor, el
sobrecalentador primario es el primer intercambiador de calor con el que interactuan los gases
de combustión que salen del hogar. El vapor sobrecalentado fluye hacia la sección de
atemperación del sobrecalentador.
La función de la sección de atemperación del sobrecalentador es mantener la temperatura
del vapor principal (f,) en el punto de ajuste. Para esto se utiliza agua de alimentación
proveniente de la descarga de la bomba de agua de alimentación a caldera, dicha agua se rocía
sobre el flujo de vapor principal (whP).Se asume que el flujo de atemperación y el flujo de
vapor principal se mezclan totalmente en forma adiabatica.
18
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
La etapa final de sobrecalentamiento se realiza por transferencia de calor por convección
entre el flujo de gases de combustión y el metal que forma al sobrecalentador secundario. Este
elemento es el segundo intercambiador de calor que interactua con el flujo de los gases de
combustión que salen del hogar del generador de vapor. La temperatura y presión de salida
(temperatura y presión del vapor principal) son controladas por medio del flujo de
atemperación al sobrecalentador y el control de combustión respectivamente. Dependiendo del
flujo de vapor se extrae vapor, del sobrecalentador o de la turbina de presión intermedia, para
la turbina impulsora de la bomba de agua de alimentación a caldera.
Las variables de estado de este módulo son: la densidad del vapor a la salida del
sobrecalentador primario (ppwi),la densidad del vapor a la salida del sobrecalentador secundario
(psy>),la entalpía del vapor a la salida del sobrecalentador primario (&,) y la entalpía del vapor
a la salida del sobrecalentador secundario (hsso).
6. Módulo turbina de alta presión
El flujo de vapor de entrada a la turbina de alta presión se determina por el área de
apertura de las válvulas de control, dicha área se calcula por el sistema de control de turbina y
las condiciones del vapor principal a la salida del sobrecalentador secundario.
La caja de vapor es una pequeña cámara localizada a la entrada de la primera etapa de la
turbina de alta presión y actúa como una fuente de vapor.
Se asume que el vapor proveniente de la caja de vapor se expande adiabaticamente a través
de la turbina de alta presión. Se supone velocidad sonica del vapor para que el flujo en la
turbina de alta presión esté en función de las condiciones de descarga de la caja de vapor. Se
exirae vapor de la turbina de alta presión para el equipo auxiliar de la planta y para el
calentamiento de alta presión del agua de alimentación a caldera (no se muestra en la figura).
La variable de estado de este módulo es la densidad del vapor a la salida de la caja de
vapor (pro).
7. Módulo recalentador y sección de atemperación del mismo
Después del proceso de expansión en la turbina de alta presión y de agregar agua para
atemperar, el vapor se sobrecalienta en el recalentador por medio de transferencia de calor por
convección con el flujo de los gases de combustión. El recalentador es el tercer intercambiador
de calor con el que interactuan los gases que salen del hogar del generador de vapor. La
temperatura del vapor a la salida del recalentador se mantiene en el valor deseado por medio
la inclinación de quemadores y los gases de
del flujo de atemperación al recalentador (w~),
recuculación.
19
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
La función de la sección de atemperación del recalentador es mantener la temperatura del
vapor a la salida del recalentador (tho) en su punto de ajuste, siempre que los controles de los
gases de recirculación e inclinación de quemadores no puedan mantener dicha temperatura en el
valor deseado. Para esto se utiliza agua de alimentación proveniente de la descarga de la bomba
del agua de alimentación a caldera, dicha agua se rocía sobre el flujo de vapor que sale de la
turbina de alta presión. Se asume una mezcla totalmente adiabatica.
Las variables de estado de este módulo son la densidad del vapor a la salida del
recalentador (ph0) y la entalpía del vapor a la salida del recalentador (hho).
8. Módulo turbina de presión intermedia, tubo de interconexión y turbina de baja presión
El flujo del vapor a la turbina de presión intermedia se determina por el área de apertura
de las váivulas interceptoras, la cual es calculada por el sistema de control de turbm y por las
condiciones del vapor de descarga en el recalentador. Se asume que el vapor se expande
adiabaticamente a través de la turbina. Se extrae vapor para el calentamiento de alta presión
del agua de alimentación a caldera y como suministro de vapor al desgasiñcador.
El tubo de interconexión conecta la turbina de presión intermedia y la turbina de baja
presión. El tubo es relativamente corto y su diámetro es grande, por lo que se asume que no
hay caída de presión.
-
El flujo de vapor que entra a la turbina de baja presión está en función de las condiciones
de descarga del vapor en el tubo de interconexión. Se tienen tres extracciones en la turbina de
bajapresión, las cuales se utilizan para el calentamiento de baja presión del agua de
alimentación a caldera.
La variable de estado de este módulo es la densidad del vapor en el tubo de interconexión
(PWJ
9. Módulo generador eléctrico
En el generador eléctrico se transforma la energía mecánica a energía eléctrica. Este está
acoplado directamente al grupo turbm y sus características son: 685,000 Kva, 3 fases, 60
22 Kv, enfriamiento por bidrógeno y un factor de potencia de 0.90. La velocidad nominal del
grupo turbina-generador eléctrico es de 3600 rpm y se mantiene en su punto de ajuste por
medio de las válvulas de control de turbina.
Las variables de estado de este módulo son la velocidad angular de la turbina (n,J y el
ángulo de potencia (8).
20
Capitulo 2
Descripción del modelo de la UT
IO. Módulo condensador principal
El vapor proveniente de la turbina de baja presión se descarga al condensador. Las
variaciones en las condiciones del condensador son pequeñas, por lo tanto, se hace la
aproximación de la relación de la presión en el condensador con la presión de entrada a la
turbina de baja presión. Se asume que la calidad del vapor proveniente de la descarga de la
turbm de baja presión es constante.
Este módulo no incluye variables de estado.
11. Módulo bombas de extracción de condensado
.
Dos bombas centrífugas suministran el flujo de condensado desde el pozo caliente del
condensador a los calentadores de baja presión del agua de alimentación. El par de salida del
manejador del motor de inducción es gobernado por sus características par-deslizamiento.
Combinado con las Características principales de la bomba, flujo-velocidad, el par se usa en la
ecuación de momento de la bomba para describir la dinámica de las bombas de extracción de
condensado.
La variable de estado de este módulo es la velocidad de las bombas de extracción de
condensado (ncp).
12. Módulo calentadores de baja presión del agua de alimentación
El vapor extraído de la turbina de baja presión se usa para calentar el flujo de condensado y
se descarga al condensador en condiciones de saturación. Los tres calentadores de baja presión
del agua de alimentación (instalados en la planta real) se concentran en un calentador
equivalente de baja presión del agua de alimentación (en el modelo matemático del proceso). El
flujo de condensado ai desgasificador se regula por medio de la válvula de control del
desgasificador para mantener el nivel del agua en el desgasificador al valor deseado.
La variable de estado de este módulo es la entalpía a la salida del calentador equivalente de
baja presión del agua de alimentación (hlho).
13. Módulo desgasificador
El desgasificador realiza tres funciones: eliminar los gases del flujo de condensado
(desgasificar), calentar el agua de alimentación a caldera y almacenar fluido (como carcamo de
la bomba de agua de alimentación). El flujo de condensado proveniente de los calentadores de
baja presión del agua de alimentación, el vapor extraído de la turbm d e baja presión, el vapor
descargado de los calentadores de alta presión del agua de alimentación y los retornos del
vapor para el equipo auxiliar se mezclan en el desgasificador obteniéndose un aumento en la
temperatura del agua de alimentación a caldera.
21
Capitulo 2
Descripción del modelo de la UT
Líquido saturado sale del desgasificador a la bomba del agua de alimentación al generador
de vapor. €31 nivel del agua en el desgasificador se mantiene controlando el flujo de c o n d e ~ d o ,
Se asume que el vapor Y el agua en el desgasificador están en equilibrio saturado. El equipo de
desgasificación e h h a 10s gases del agua de alimentación antes de que esta entre al tanque de
almacenamiento.
Las variables de estado del desgasificador son la densidad del vapor en el desgasificador
@des) y el volumen del agua en el desgasificador @dew).
14. Módulo turbina impufsora de la bomba del agua de alimentación al generador de vapor
El equipo de bombeo del agua de alimentación al generador de vapor consta de la turbina
hpulsora y de la bomba principal del agua de alimentación. La turbina suministra el par de
entrada, el cual se usa en la ecuación de momento para describir la dinámica de la bomba,
combinada con las características de la bomba. El flujo de vapor extraído de la turbina de alta
presión, el cual entra a la turbina impulsora de la bomba del agua de alimentación, es
controlado para mantener la presión diferencial de la válvula de control del agua de
alimentación en su punto de ajuste. Los flujos de atemperación para el sobrecalentador y el
recalentador se extraen de la descarga de la bomba del agua de alimentación a caldera. En este
módulo se calcula el flujo de agua de alimentación al generador de vapor y no incluye variables
de estado.
15. Módulo bomba principal del agua de alimentación al generador de vapor
En este módulo se calcula la velocidad de la bomba principal del agua de alimentación al
generador de vapor (nfp),la cual es controlada por la turbina impuisOra de la misma.
16. Módulo calentadores de alta presión del agua de alimentación y economizador
El vapor que se extrae de las turbinas de alta presión y presión intermedia se usa para
calentar el agua de alimentación a caldera y se descarga al desgasificador en condiciones de
saturación. Físicamente, en la planta real, existen tres calentadores de alta presión del agua de
alimentación que, en el modelo, se concentran en un calentador equivalente de alta presión de
agua de alimentación. El flujo del agua de alimentación se regula por medio de la válvula de
control del flujo de agua de alimentación.
La etapa final del precalentamiento del agua de alimentación a caldera se realiza por
transferencia de calor convectivo con el flujo de los gases de combustión. El economizador es
el cuarto intercambiador de calor que interactua con el flujo de gases que salen del hogar. La
presión de descarga es la presión en el domo y se asume que el flujo de descarga se mezcla
adiabaticamente con el agua del domo en los tubos bajantes.
Las variables de estado de este módulo son la entalpía a la salida de los calentadores de
alta presión del agua de alimentación (hmo)y la entalpia a la salida del economizador (heco).
22
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
17. Módulo ventiladores de tiro forzado (VTF)
Se usan dos ventiladores centnfugos de tiro forzado para suministrar el flujo de aire de la
atmósfera al hogar del generador de vapor. El par de salida del manejador del motor de
inducción es gobernado por sus características p a r - d e s m e n t o . Combinado con las
características principales del ventilador, flujo-velocidad, el par se usa en la ecuación de
momento del ventilador para describir la dinámica de los ventiladores de tiro forzado. Los
ventiladores están equipados con compuertas de entrada, las cuales se utilizan para mantener el
flujo de aire en el hogar del generador de vapor al valor deseado y así obtener una buena
combustión. El área de apertura de las compuertas se determina en el sistema de control de
combustión.
La variable de estado de este módulo es la velocidad de los Ventiladores de tiro forzado
(nfd).
18. Módulo flujo de aire y gases de salida (chimenea)
En este módulo se calculan las variables correspondientes a los VTF y VTI, además de la
presión en el hogar del generador de vapor. La chimenea tiene dos funciones, proporciona el
tiro y a través de ella se descargan los gases de combustión hacia la atmósfera.
Este módulo no incluye variables de estado.
19. Módulo inclinación de quemadores
El hogar del generador de vapor incluye cinco niveles de quemadores de combustible, cada
nivel posee cuatro quemadores (colocados en las esquinas de cada nivel del generador de
vapor). Se controla la inclinacih de los quemadores para mantener la temperatura del vapor
recalentado en el valor deseado. La transferencia de calor por radiación se modifica por el
número de quemadores operando y por el ángulo de inclinación de los mismos.
La presión en el hogar del generador de vapor se mantiene en su punto de ajuste
controlando el área de apertura de las compuertas de los ventiladores de tiro inducido (VTI).
Este módulo no incluye variables de estado.
20. Módulo paredes de agua lado gases de combustión
El proceso de transferencia de calor en el hogar del generador de vapor es
predominantemente por radiación hacia las paredes de agua y el sobrecalentador primario.
Este módulo no incluye variables de estado.
23
Capitulo 2
Descripción del modelo de la UT
21. Módulo sobrecalentador, recalentador y ecooomizador lado gases de combustión
El flujo de gases que sale del hogar pasa sucesivamente a través del sobrecalentador
primario, sobrecalentador secundario, recalentador, economizador y precalentador de aire,
transfiriendo calor a cada intercambiador de calor en cada punto de contacto (ver figura 2.2). A
la salida del economizador se extrae una porción del flujo de gases y se introducen al hogar del
generador de vapor con el fin de mantener en el valor deseado la temperatura del vapor
recalentado.
Este módulo no incluye variables de estado,
22. Módulo ventiladores de tiro inducido (VTI)
Se usan dos Ventiladores centrífugos de tiro inducido para expulsar los gases de
combustión a la atmósfera. El par de salida del manejador del motor de inducción es gobemado
por sus características par-deslizamiento. Combinado con las características principales del
ventilador, flujo-velocidad, el par se usa en la ecuación de momento del ventilador para
describir la dinámica de los ventiladores de tiro inducido. Los ventiladores están equipados con
compuertas de entrada, las cuales se u t i l i para mantener la presión en el hogar del generador
de vapor al valor deseado. El área de apertura de las compuertas se determina en el sistema de
control de la presión en el hogar del generador de vapor.
La variable de estado de este módulo es la velocidad de los ventiladores de tiro inducido
(nid).
,
24
Descripción del modelo de la UT
Capitulo 2
I
En la tabla 2.1 se presentan las variables de estado que describen la dinámica del proceso,
su descripción y el módulo al que pertenecen. En la figura 2.1 se muestra el esquema general de la
UT modularida, mientras que la figFa 2.2 muestra el diagrama esquemático de la trayectoria del
flujo aire-gases, en el cual se muestran los principales componentes así como el sentido del flujo
del aire y de los gases en la UT.
Tabla 2.1 Variables de estado del proceso.
25
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
Calentador de baja presi6a
del agua de alimentaci6n
1
.................. Bomba del agua
i
Calentador de alta presión
del agua de alimenraci6a
de alimenta~i6n
Figura 2.1 Esquema general de la UT modularizada.
Recalentador
,
Economizador
Sobrecalentador
secundario
Sobrecalentador
primario
&--,-+
Calentador
Atmósfera
Chimenea
L,
1
Eeca;entador
Figura 2.2 Diagrama esquemático de la trayectoria aire-gases.
26
Capítulo 2
2.3
Descripción del modelo de la UT
Modelo del sistema de control de la UT
El sistema de control implantado en el modelo original psoro, 19771 incorpora los lazos de
control necesarios para el correcto funcionamiento de una planta moderna de generación de
energía eléctrica.
El sistema de control incluye técnicas de control prealimentado para lograr una rápida
respuesta y minimizar las oscilaciones. Los controladores retroalimentados se utilizan para los
ajustes h i e s en los lazos secundarios del proceso para corregir no linealidades menores y
desviaciones estáticas.
Las acciones de control que se implantan son: proporcional (P), proporcional más integral
(PI) y proporcional más integral más derivativo (PID). Además de estas acciones de control se
simulan tanto los convertidores de señal de proceso (presión, temperatura, nivel, etc.) a señal
eléctrica estándar (1 a 5 V.) de los lazos de control como la dinámica de los actuadores.
2.3.1 Elementos del sistema de control en la UT
Los lazos de control que se implantan constan básicamente de un convertidor lineal, un
actuador o elemento final de control y un controlador (generalmente PI o PID). La estrategia de
control implantada es integrada por los siguientes lazos de control, los cuales se describen
posteriormente y además se presentan sus diagramas funcionales bajo la norma SAMA.
Control de combustión.
Control de la presión del vapor principal.
Control del flujo de aire.
Control del flujo de combustible.
Control de la presión en el hogar del generador de vapor.
Control del flujo de agua de alimentación al generador de vapor.
Control de la turbina impulsora de la bomba del agua de alimentación.
Control del flujo de agua de alimentación y nivel del agua en el domo.
Control del flujo de condensado.
Control de la temperatura del vapor en el sobrecalentador.
Control de la temperatura del vapor en el recalentador.
Control de recirculación de los gases de combustión.
Control de la posición de los quemadores.
Control de la turbina.
27
Capitulo 2
Descripción del modelo de la UT
Control de combustión
Este lazo de control está formado por los controladores PI de la presión del vapor principal
(psso), el flujo de aire (war) y el flujo de combustible (wfi).
Como el sistema de control funciona en modo de caldera en seguimiento, el punto de ajuste de
la presión del vapor principal para cualquier punto de operación de la unidad es de 2415 psia.
El punto de ajuste (pa) de la presión del vapor es comparado con la presión medida (psso),
a la salida del controlador se le agrega el bias debido a la señal proporcional al error en la
velocidad angular de la turbina (ntr). El producto de la suma anterior es la señal de demanda
maestra de caldera (cbmd).
La señal de demanda maestra de caldera (cbmd), se transmite a los sistemas de control del
flujo de aire y de combustible. La demanda de flujo es la menor de dos señales: a) La demanda
maestra de caldera o b) El flujo medido de aire, esto permite garantizar que la demanda del
flujo de aire nunca excederá al flujo de aire. El controlador del flujo de combustible compara la
demanda con el flujo medido de combustible. La señal de salida del controlador entra al
simulador del elemento ñnai de control (váivula), el cual representa el retardo debido a la
válvula de control del flujo de combustible a quemadores. Finalmente, la señal de control se
convierte al flujo de combustible (Wn) mediante un transductor lineal.
La magnitud de la serial de demanda maestra de caldera (cbmd) transmitida al controlador
del flujo de aire es limitada al 25% del flujo total de aire. El controlador del flujo de aire
compara la demanda con el flujo medido de aire. La salida del controlador se aplica al
simulador del elemento ñnai de control, el cual equivale al retardo de las compuertas de entrada
de los ventiladores de tiro forzado. Posteriormente, la señal de control se convierte en la
posición de las compuertas de entrada ( a 4 a los VTF para obtener el flujo de aire deseado. La
figura 2.3 muestra el diagrama del control de combustión.
28
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
Presión del
vapor principal
Velocidad de
7
+- A k
-
+
c
-Ep
Demanda
maestra
1
1
kc2arl
I
n
Ventilador de
tiro forzado
Flujo de aire
Q
-7
CWtl
/-7
Válvula de
combustible
Figura 2.3 Diagrama del control de combustión.
29
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
Control de la presión en el hogar del generador de vapor
La presión en el hogar del generador de vapor se mantiene en el valor deseado por medio
del controlador de presión del hogar. El controlador compara la referencia con la presión
medida en el hogar y aplica una acción de control proporcional más integral ai error. La señal
medida del flujo de aire se prealimenta, sumándose a la señal del controlador. La señal
resultante se transmite a un simulador que representa el retardo debido a las compuertas de
entrada a los ventiladores de tiro inducido. La señal de salida se convierte en la posición de las
compuertas de entrada (avi) a los ventiladores de tiro .inducido, controlándose así la presión en
el hogar del generador de vapor.
Q
I__I
Presión del hogar
+TP
-
+m
c-
n
Ventilador de
tiro inducido
Figura 2.4 Diagrama del control de la presión en el hogar.
Control de la turbina impulsora de la bomba del agua de alimentación
Se mantiene una caída de presión constante a través de la válvula de control del agua de
alimentación por medio de la variación de la velocidad de la bomba del agua de alimentación.
Esto se logra comparando la presión diferencial requenda con la medida (pfvd) y aplicando
una acción de control proporcional más integral ai error. La salida del controlador de la turbina
de la bomba del agua de alimentación se transmite al simulador del actuador, con lo que se
aproxima el retardo asociado a la turbina que maneja la bomba del agua de alimentación.
30
Capítulo 2
Descripción del modelo de la m'
Finalmente, la señal de salida del simulador se convierte al flujo del vapor de extracción
(d),
que a SU vez se alimenta a la turbina de la bomba del agua de alimentación. Ver la
siguiente figura.
Q
Presión diferencial en
la válvula de control
Q
n
Flujo de vapor a la turbina
impulsora de la bomba del
arma de alimentación
Figura 2.5 Diagrama del control de la turbina impulsora de la bomba del agua de alimentación
Control del flujo de agua de alimentación y nivel del agua en el domo
El control del flujo de agua de alimentación se realiza mediante un lazo de control de tres
elementos. La presión del vapor en la primera etapa (de la turbina de alta presión) es utilizada
como una medida del flujo de vapor principal, y representa el primer elemento.
El flujo total del agua de alimentación es constituido por el flujo del agua de atemperación
al sobrecalentador, el flujo del agua de atemperación al recalentador y el flujo medido del agua
de alimentación. El flujo total del agua de alimentación representa el segundo elemento. El
tercer elemento lo constituye el nivel del agua en el domo.
El controlador de nivel del agua en el domo compara la referencia con el nivel medido y
aplica una acción proporcional más integral al error para mantener el nivel del agua en el domo
al valor deseado. La salida del controlador de nivel del agua en el domo se suma a la señal del
primer elemento para obtener la s e h l de demanda de flujo del agua de alimentación.
El controlador del flujo de agua de alimentación compara el flujo total del agua de
alimentación con la señal de demanda de flujo y aplica una acción de control proporcional más
integral para balancear el flujo del agua de alimentación con la demanda. La salida del controlador
del flujo del agua de alimentación pasa a través de un simulador del elemento ñnal de control, el
cual representa el retardo asociado a la válvula de control del agua de alimentación.
Posteriormente, la señal de salida del simulador se convierte al área de apertura de la válvula de
control ( a f v ) . En la figura 2.6 se presenta el diagrama del control del flujo de agua de alimentación
a caldera y del nivel de agua en el domo.
31
Capítulo 2
Descripción del modelo de la W
leracl6n
'
Válvula de control del flujo
ade agua de alimentación
Figura 2.6 Diagrama del control del flujo de agua de alimentación y nivel de agua en el domo.
Control del flujo de condensado
El lazo de control del flujo de condensado está integrado por tres elementos. La presión
del vapor en el recalentador @rho) es utilizada como una medida del flujo de vapor en la etapa
de baja presión y representa el primer elemento del lazo. La medición del flujo de condensado
constituye el segundo elemento, y el nivel del agua en el desgasificador es el tercer elemento.
El controlador del nivel del agua en el desgasificador compara el nivel del agua deseado
con la medición del mismo y aplica una acción de control proporcional más integral más
derivativa (PID) a la diferencia entre ambas señales para mantener el nivel en el valor deseado.
La salida del controlador de nivel se suma a la del primer elemento del lazo @rho) para
constituir la señal de demanda del flujo de condensado.
El controlador del flujo de condensado compara el flujo medido de condensado con la
señal de demanda del mismo y aplica una acción de control proporcional más integral a la
diferencia entre ambas, para alcanzar el valor del flujo de condensado deseado. La salida del
controlador del flujo de condensado se aplica al simulador del actuador, con el objeto de
representar el retardo debido a la respuesta de la válvula de control del flujo de condensado.
32
Capítulo2
Descripción del modelo de la UT
Posteriormente, la salida del simulador se convierte al área de apertura de la váivuia de control
(adv).
Nivel de agua en
el desgasificador
o
Presión del vapor
recalentado
Flujo de agua
de condensado
I
'
Válvula de control del
adesgasificador
Figura 2.7 Diagrama del control del flujo de condensado.
Control de la temperatura del vapor en el sobrecalentador
El control de la temperatura del vapor en el sobrecalentador se efectúa regulando el flujo
de agua de atemperación, dicho flujo se rocía en la conexión entre el sobrecalentador primario y
el secundario. El punto de ajuste de la temperatura del vapor está en función de la carga como
medida del flujo de vapor principal (whp), y es posible bajar el punto de ajuste manualmente;
por medio de un selector de la menor de dos señales.
El punto de ajuste se compara con la temperatura medida (tsso) y el controlador aplica una
acción proporcional más integral al error. Para anticiparse a cambios de carga, se suman las
mediciones de la presión de la primera etapa y la inclinación de quemadores como acciones de
control puramente derivativas. La salida del controlador de temperatura del vapor en el
sobrecalentador y las señales derivativas se envían al simulador del actuador que representa el
retardo debido a la respuesta de la válvula de rocío al sobrecalentador.
33
Capitulo 2
Descripción del modelo de la UT
Enseguida, la señal del simulador se convierte al flujo de atemperación al sobrecalentador (wsy)
para mantener la temperatura del vapor a la salida del sobrecalentador en el valor deseado.
Flujo del vapor
principal
7-
+
1
vapor principal
Posición de los
quemadores
@-wp-@
en la extracción
Presión
del vapor1
n
Flujo de atemperación
al sobrecalentador
Figura 2.8 Diagrama del control de la temperatura del vapor en el sobrecalentador.
Control de la temperatura del vapor en el recalentador
Para mantener la temperatura del vapor en el recalentador al valor deseado se u t k un
esquema de tres elementos: rocío de agua al recalentador, inclinación de quemadores y gases
de recirculación El punto de ajuste de la temperatura está en función de la carga por medio del
flujo de vapor principal (whp), y puede disminuirse manualmente por medio de un selector de la
menor de dos señales. El punto de ajuste se compara con la temperatura medida, al mismo
tiempo se agrega una señal anticipatoria debida a cualquier cambio en la carga (vía la presión
del vapor en la primera etapa). La señal resultante de las tres anteriores entra al controlador de
la temperatura del vapor en el recalentador.
El controlador aplica una acción proporcional más integral a dicha señal, la salida del
controlador se suma a la señal anticipatoria a cambios en la temperatura del vapor en el
recalentador. La señal resultante se transmite simultáneamente a dos simuladores que
representan los retardos debidos a la posición de los quemadores y a la válvula de rocío al
recalentador respectivamente.
34
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
Postenomente, las señales se convierten en radianes para la posición de quemadores (xgg) y en
flujo de atemperación al recalentador (wry). La señal para rociar agua al recalentador actúa
sólo cuando la posición de los quemadores alcanza su límite superior o inferior.
La estrategia para controlar el flujo de los gases de recirculación depende sólo de la
posición de los quemadores. El control de los gases de recirculación está formado por un
integrador, el cual aplica una acción integral al error debido a la diferencia entre la posición real
y la deseada de los quemadores.
La salida del integrador cambia el valor del flujo de los gases de recirculación únicamente
cuando la posición de los quemadores varía más de f 5" sobre el centro del rango de operación
(Oo). Además, la salida al simulador del actuador es la menor de dos señales: una es la salida del
integrador y la otra es una hcción del total del flujo de aire (war). El simulador representa el
retardo debido al elemento ñnal de control. La señal de salida del simulador se convierte al flujo
de los gases de recirculación (wgr) que se toma del flujo de gases a la salida del economizador
y se introducen al hogar del generador de vapor. Ver la figura 2.9.
o
Posición de los
quemadores
?
D
Flujo de los gases
de recirculación
Figura 2.9 Diagrama del control de los gases de recircuhción.
35
Capitulo 2
Descripción del modelo de la UT
Oueración del lazo de control de temperatura del vauor en el recalentdor.
que la temperatura medida del vapor en el recalentador está por abajo del
valor deseado, entonces los quemadores se mueven hacia arriba con respecto a su posición
anterior. En el momento en que la posición de los quemadores exceda de 5", el lazo de control de
10s gases de recirculación se activa. El integrador inicia su acción para corregir el error en la
posición de los quemadores.
Ahora se supone que la temperatura excede el valor deseado, la posición de los
quemadores regresa lentamente a su punto de ajuste mientras que, los gases de recirculación se
incrementan continuamente a una velocidad que depende de cuan mayor sea la posición de los
quemadores de 5'. Una vez que la posición de los quemadores está dentro de los 5'; el flujo de los
gases de recirculación tiende a estabilizarse mientras que la posición de los quemadores regresan a
su punto de ajuste.
Si la temperatura del vapor en el recalentador permanece alta los quemadores tenderán a
una posición negativa, cuando su posición sea menor de -5' el control de los gases de
recirculación se activa. El flujo de los gases de recirculación disminuye para reducir la temperatura
del vapor en el recalentador. Cuando los quemadores alcanzan su posición más baja se activa la
etapa de atemperación al recalentador. Conforme la temperatura del vapor en el recalentador
tiende a su punto de ajuste, la posición de los quemadores retorna al valor deseado, el rocío al
recalentador se suspende y, el flujo de los gases de recirculación mantienen un valor constante.
@-wu
Presión del vapor
en la extracción 1
I
Posición de los
quemadores
a
Temperatura del
vapor recalentado
Flujo de atemperación
alrecalentador
Figura 2.10 Diagrama del control de temperatura del vapor en el recalentador.
36
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
Control de la turbina
Se emplea un sistema de control electro-hidráulico (CEH) para el grupo turbina. El diseño
de la turbina le permite operar en modo de arco total o en modo de arco parcial.
El modo de arco total se utiliza en los arranques de la planta termoeléctrica, mientras que
el modo de arco parcial se emplea durante la operación normal de la misma. En modo de arco
total las válvulas de control de turbina permanecen totalmente abiertas, lográndose la regulación
por medio de las válvulas de paro. En modo de arco parcial sucede lo opuesto; válvulas de control
regulando el flujo de vapor de entrada a la turbina de alta presión y válvulas de paro
completamente abiertas.
El sistema de control electro-hidráulico (CEH) se organiza en tres unidades para
minimizar las interacciones:
1. Unidad de control de velocidad.
2. Unidad de control de carga.
3. Unidad de control de válvulas.
Se asume que la turbina opera en modo de arco parcial y para ello se utilizan las válvulas
de control en la regulación del flujo de vapor a la turbina de alta presión. Esta consideración limita
la operación del modelo de la UT a un rango aproximado de operación del 40 al 100 % de carga
(240 a 600 Mw). Con algunas modificaciones la UT puede operar en modo de arco total, el cual
utiliza las válvulas de paro para regular el flujo de vapor a la turbina de alta presión.
El punto de ajuste obtenido de la señal de demanda de carga (Idc) se añade a la señal de
salida del controlador de la unidad de control de carga, el cual compara esta señal con la potencia
generada medida y le aplica a la diferencia entre ambas (error) una acción proporcional más
integral. La señal resultante es la señal de referencia de carga deseada. Esta señal se compara con
la señal de referencia de carga medida, y la diferencia entre ambas es la entrada al motor referencia
de carga.
La señal de referencia de carga se suma a la señal proveniente de la unidad de control de
velocidad (la cual aplica una acción de control proporcional a la diferencia entre el punto de ajuste
de la velocidad de la turbina y la velocidad medida de la turbina). La s e w resultante entra a la
unidad de control de las válvulas gobernadoras, esta unidad determina la posición adecuada de las
válvulas para obtener el flujo de vapor deseado a la turbina de alta presión. La salida de la unidad
de control de las válvulas gobemadoras se convierte en el área de apertura de la válvula
gobernadora equivalente (agv).
La figura 2.1 1 muestra el diagrama del control de la turbina.
31
Capítulo 2
Descripción del modelo de la UT
Potencia
generada
9
Velocidad de
la turbina
Q
de carga
de la válvula
n
Válvula gobernadora
Figura 2.11 Diagrama del control de la turbina.
38
Capitulo 2
Descripción del modelo de la UT
En la tabla 2.2 se presentan las variables de estado que describen la dinámica del sistema de
controk su descripción y el lazo al que pertenecen.
[Vanable
ctivd
c2dv
c3dv
c8dv
cdwd
c5rh
dctrho
cxggd
dcplst
c5sy
dcxez
I
csvd
c4tr
cacvd
1
I
I
alimentación
Flujo agua de aliment.
Señal de control al actuador
Acción derivativa del controlador PID del nivel de agua en el Flujo de condensado
desgasificador
Acción integral del controlador PiD del nivel de agua en el Flujo de condensado
desgasificador
Flujo de condensado
Acción integral del controlador PI del flujo de condensado
Flujo de condensado
Señal de control al actuador
Temp. del vap. recalent.
Acción integral del controlador PI de temperatura
Señal anticipatoria (acción derivativa) de la temperatura del Temperatura del vapor en
1 el recalentador
vapor en el recalentador
Señal de control para determinar la posición de los quemadores Temperatura del vapor en
el recalentador
Señal anticipatoria (acción derivativa) de la presión del vapor en Ambos lams de control de
la primera etapa
temperatura
Temp. del vapor sobrec.
Acción integral del controlador PI de temperatura
Señal anticipatoria (acción denvativa) de la posición de los Temperatura del vapor en
quemadores
I el sobrecalentador
\Temperatura del vapor en
1 Señal de control al actuador
el sobrecalentador
1
I
1
I
1
carga
Retardo debido a la respta. del motor referencia de carga
Señal de control al actuador
Control de turbina
Control de turbina
Tabla 2.2 Variables de estado del sistema de control.
39
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT cai el software de interfaces gráficas
CAPÍTULO 3
IMPLANTACI~NDEL MODELO DE LA UT CON EL
SOFTWARE DE INTEWACES GRÁFICAS
3.1
Introducción
En este capítulo se describe la implantación del modelo matemático de la UT en el
sofiure de interfaces gráñcas, cuya modularización se presentó en el capítulo 2. Esta descripción
consiste básicamente en relacionar la modularización del modelo matemático con las diferentes
rutinas de los programas y todas las utilerías del paquete de interfaces gráñcas necesarias para
correr el modelo global.
3.2
Descripción del software de interfaces gráficas
Actualmente, existen compafhs que incluso cuentan con productos comerciales
relacionados con el modelado y la simulación de procesos. Entre las compañías que cuentan con
esta tecnología se encuentran:
CAE (Computed Aided Engineer) con su producto ROSE, (Real-time Object-oriented
Software Enviroment) el cual es un conjunto de herramientas y bibliotecas que proporcionan un
ambiente en el cual el usuario puede formular, codificar, probar y documentar modelos [Véiez,
19951. El sistema es representado por medio de dibujos esquemáticos que usan componentes
encontrados en la bibliotecas de objetos.
EPRi (Electric Power Research Institute) y MITRE han desarrollado un prototipo de panel
de control de una planta termoeléctrica por medio de una proyección de vídeo de alta resolución
myson, 19941.
ASPEN tiene en su producto MAX un pqquete de modelado y simulación de procesos
[Taylor, 19931. Max está diseñado para usarse en las industrias química y petroquimica y permite
ai usuario especificar y hacer converger cálculos de balances de materia y energía y cálculos de
propiedades.
The MATH WORKS Inc. ofiece su programa SIMULWK, para la simulación dinámica de
sistemas, el cual es una extensión para MATLAB [Simulink, 19931. En Simuiink el usuario puede
representar y analizar sistemas dinámicos, mediante bloques que se obtienen en las librerías del
mismo.
40
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sojbvare de interfaces gráficas
VISUAL SOLUTIONS Inc. (VisSim), es un sofhvure desarrollado para el diseño y la
simulación de sistemas dinámicos no lineales [VisSim, 19941. Al igual que Simulink, los bloques se
obtienen de librerías.
El proceso de selección del sofrware comercial de interfaces gráñcas consistió en comparar
las características de dos de elios (por razones de disponibilidad de los mismos): VisSim y
Simulink.
3.2.1 Análisis de Sirnulink
Cuando se crea un modelo en Simulink dibujando un diagrama a bloques (modelo gráfico),
Simulink usa la información contenida en el diagrama a bloques para generar lo que se conoce
como una S-function (Función para el Sistema). Las S-functions son el corazón del cómo trabaja
Simulink [ S i m W , 19931. La tabla 3.1 muestra las tres formas en las que se puede representar el
modelo de un sistema en Simulink, el tipo de S-function y la interfaz necesarias para su
simuiación.
Tipo de S-function
Gráñco
Archivo tipo M
Archivo tipo MEX
IInterface
I Diagrama a bloques
I Lenguaje Matlab
I Subnitinas en lenguajes C o Fortran
Tabla 3.1 Tipos de S-function
De acuerdo con los requerimientos de este trabajo (rapidez de simulación e implantación
del simulador en un lenguaje de alto nivel, tal como C), el tipo de S-function a considerar es la
que utiliza archivos tipo MEX.
A continuación se listan las características principales de Simulink:
Capacidad para diseño, análisis y simulación de sistemas lineales y no lineales, continuos o
discretos ( o una combinación de ambos).
Simuiink es parte de Matlab, esto le permite ofrecer ai usuario todo el potencial de análisis de
Matlab.
Posibilidad de modelar sistemas en forma gráñca (bloques), en comandos de Matlab
(archivos .m) y en lenguajes de alto nivel: Fortran o C (archivos .mex).
Permite solucionar lazos algebraicos (ecuaciones implícitas).
Posee 6 algoritmos para integrar ecuaciones diferenciales (no incluye el algoritmo de
integración Runge-Kutta de orden cuatro, necesario para validar el simulador).
No permite comunicación inakmbrica entre bloques, y está limitado a 6 parámetros externos de
entrada al bloque (utilizando la función Mask de S i m W ) .
41
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT cori el softwme de interfaces gráficas
3.2.2 Análisis de VisSim
vissim es un lenguaje en d k m a bloques para modelar y simular matemáticamente
sistemas @recesos) Lineales Y no h d e s vksh, 19941. Los bloques y la interconexión entre 10s
mismos ( h b r i c a o inaiambrica) son la herramienta principal de diseño. Cada bloque corresponde
a una función matemática, la función puede ser tan simple como una función seno o tan compleja
como una función transferencia de décimo orden. Además, VisSim brinda el soporte para que el
usuario diseñe SUS propios bloques por medio de librerías u n i h dinámicamente (DLL, por sus
siglas en inglés). Un DLL es una librería precompiiada de funciones que son llamadas al ejecutarse
la simulación del módulo en el paquete de interfaces gráficas [VisSim, 19941.
Cuando se simuia un diagrama a bloques en VisSim, primero se evalúan los bloques que
producen señales Únicamente, tales como constantes y generadores de rampas, estos datos se
envían a bloques del tipo intermedio es decir; bloques que tienen entradas y salidas (ganancias,
sumadores, etc.), finalmente los datos se envían a los bloques que tienen entradas únicamente,
tales como graficadores, medidores, etc. En caso de que el sistema modelado tenga
retroalimentaciones, VisSim verüica que cada lazo de retroalimentación contenga al menos uno de
los siguientes bloques: integador, función de transferencia, retardo unitario o tiempo de retardo.
En caso de que esto no suceda, se tiene un lazo algebraic0 (ecuación @lícita); el cual VisSim
puede solucionar mediante dos métodos mutuamente excluyentes (uno u otro): FP; deíkido así
por VisSim o Newton-Rapson, se tiene una opción más para solucionar el lazo algebraic0 y es
que el usuario defina sus propias reglas para resolverlo mediante un archivo tipo DLL.
A continuación se Man las características principales de ViSSh.
e
e
e
Capacidad para diseño y simuiación de sistemas Lineales y no Lineales, continuos o discretos ( o
una combinación de ambos).
Posibilidad de modelar sistemas en forma gráfica (bloques) y en lenguajes de alto nivel:
pascal y/o C (Archivos ejecutables tipo DLL).
Permite solucionar lazos aigebraicos (ecuaciones implícitas), medmte 3 métodos.
Posee 7 algoritmos para integrar ecuaciones diferenciales (incluye el algoritmo de integración
Runge-Kutta de orden cuatro, necesario para validar el simulador).
Permite comunicación inaiámbrica entre bloques, y está limitado a 12 parhetros externos de
entrada al bloque (utilizando archivos tipo DLL).
Capacidad para simular en tiempo real.
Enseguida se presenta un ejemplo para la solución de una ecuación impucita.
Sea la ecuación
Reordenando se tiene
6 Y*
Y = ---5 5
O = y’ + 5 ~ +
6
42
capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sofime de interfaces gráficas
Para solucionar numéricamente esta ecuación, una técnica común consiste en iguaiar la ecuación a
un error que tienda a cero.
error=y2+5y+6
En VkSim, la variable y se deñne como un bloque unknown y el error como uno constrain.
Analíticamente las soluciones de la ecuación anterior son -2 y -3. Si ai bloque unknown no se le
proporciona un valor iniciai, por definición toma el valor de cero, entonces la solución dada por
VisSim es -2, si se desea encontrar la otra solución será necesario definir un vaior inicial para el
bloque unknown menor que -3. A continuación se presenta el modelo gráfico (diagrama a bloques)
para solucionar la ecuación implícita antes mencionada.
Figura 3.1 Ejemplo para solucionar una ecuación implícita.
3.2.3 Conclusión
En la siguiente tabla se muestran las características que debe poseer el software de
interfaces gráficas a utilizar en este trabajo de tesis, de dicha tabla se observa que VisSim cumple
satisfactoriamente con dichos requerimientos; siendo el paquete seleccionado para este trabajo.
Tabla 3.2 Comparación de las Características de Simulink y VisSkn
'No incluye el algoritmo de integración RungeKutta de orden cuatro necesario para este irabajo de tesis
43
Capítulo 3
3.3
Implantacibn del modelo de la UT con el sofime de interfaces gráficas
Modelo computacional de la UT
Una vez que se obtiene el modelo matemático de la UT, se tiene que implantar éste en
algún lenguaje de programación (modelo computacional) y llevar a cabo la simulación dinámica de
la UT. Para realizar esta implantación en forma eficiente y sencilla, es necesario apoyarse en la
moduiarización realizada sobre el modelo matemático, mencionada en el capítulo anterior, la cual
consiste en 2 bloques principales: uno relacionado con los procesos termodinámicos y
electromecánicos, y otro, con el sistema de control.
3.3.1 Módulos del proceso
La implantación de cada uno de los módulos del proceso, discutidos en el capítulo 2,
consiste en la separación de las ecuaciones algebraicas y diferenciales que describen a ese módulo,
con el objeto de agilizar la integración de las ecuaciones, y por ende, la simulación de todo el
modelo. En general, el bloque de ecuaciones algebraicas realiza los cálculos de propiedades
termodinámicas de flujos y presiones; el bloque de ecuaciones diferenciales, resuelve los balances
de energíq masa y momento. Es decir que cada módulo de proceso está formado por un bloque de
ecuaciones algebraicas y otro de ecuaciones diferenciales. Debido a que el sistema &e-gases
requiere de un proceso iterativo para su solución, en [Ojeda, 19861 se sugiere que se trate aparte.
A continuación, en la tabla 3.3 se presentan los archivos ejecutables pertenecientes a cada módulo
en que se divide el modelo del proceso.
44
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sofiare de interfaces gráficas
Tabla 3.3 Archivos ejecutables de los módulos del proceso.
3.3.2 Estructura de los módulos de proceso
El principal objetivo al dividr el proceso en módulos es obtener modelos totalmente
independientes de los elementos del proceso, con la finalidad de poder realizar la simulación
individual de cada módulo, la de un sistema (agua de alimentación, aire gases, etc.) o toda la UT
en un paquete de sojiwure comercial de interfaces gráficas para computadora personal. Es por
esto que la estructura computacional de cada módulo está hecha de acuerdo al esquema general de
la simulación de un sistema ñsico [OJEDA, 19861y [CORRIPIO,19911, ver figura 3.2.
45
Capitulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sojimwe de interfaces gráficas
SECCIÓN DE INICIO
Datos, parámetros, condiciones, etc.
SECCIÓN DERIVADAS
Solución de ecuaciones algebraicas
Cálculo de derivadas (F(y,t))
SECCIÓN DE INTEGRACI~N
Avance de las variables diferenciales de
t a t+h, usando una rutina de integración
Figura 3.2 Esquema general de la simulación de un sistema físico.
De acuerdo con el esquema anterior, en la sección de inicio es donde se leen las
condiciones iniciales de las variables de estado, los parámetros del modelo y las entradas (datos)
extern.
En la sección derivadas se realiza la solución de las ecuaciones algebraicas cuyos
resultados se utilizan en el cálculo de las derivadas.
Una vez obtenidos los valores de las derivadas, se realiza el avance de las variables
diferenciales de t a t+h, usando una rutina de integración (sección de integración).
Las secciones derivadas e integración se repiten n veces, dependiendo del intervalo de
tiempo que dure la comda de la simulación, y del paso de integración seleccionado para el método
de integración.
3.3.3 Módulos de control
En estos se modelan los lazos que integran el sistema de control de la UT. Cada lazo de
control está compuesto por distintos bloques funcionales que se obtienen de la biblioteca de
bloques del paquete comercial de interfaces grficas, los cuales modelan funciones muy
específicas, tales como controladores PI, PID, actuadores, transmisores de señales, limitadores de
nivei, comparadores, etc.
46
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el software de interfaces gráficas
Además se puede mencionar que el sistema de control utilizado en el modelo original
presenta diferencias del desarrollado en este trabajo, con respecto a la utilización de controladores
(PI) con antisaturación del término integral [Corripio, 19911 y [Astram, 19901 para los
controladores de: a) la ptesión del vapor en el sobrecalentador secundario (psso), b) el flujo de
aire, c) el flujo de combustible, d) la presión en el hogar del generador de vapor, e) la temperatura
del vapor en el recalentador, f) la temperatura del vapor en el sobrecalentador secundario y g) la
unidad de control de w g a .
Para modelar el sictema de control de la UT (ver capítulo 2), se modularizó a &te como se
muestra en la tabla 3.4.
de control de carga
Tabla 3.4 M6dulos del sktema de control
41
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sojhwre de interfaces gráficas
3.3.4 Componentes básicos de los lazos de control
Un lazo de control consta básicamente de un transductor, un actuador o elemento ñnal de
control y un controlador PI o en su caso un PID.
Transductor lineal
Su función es convertir una medida física (temperatura, presión, nivel, flujo, etc.) a una
señal de voltaje (generalmente entre 1 y 5 volts) dentro de limites predeterminados. Sea x(t) una
medida física con x, y x, denotando sus valores mínimo y máximo, respectivamente; y sea c(t) una
señal de voltaje con valores mínimo y máximo en co y G, respectivamente. De esta forma el
transductor lineal de entrada es descrito por:
Mientras que la siguiente ecuación describe ai transductor lineal de salida:
Actuador
En este componente se modela el funcionamiento de un actuador y un posicionador; se
obtienen los retrasos entre cambios de la señal de control y la salida física resultante que está
siendo controlada y representa, por ejemplo, el tiempo requerido para abrir la válvula de control
del flujo de agua de alimentación La dinarnica del actuador se representa por un sistema de primer
orden; tal cómo lo muestra la siguiente ecuación en donde y(t) representa la salida del actuador y
c(t) la señal de control.
t
.~
e'
fit) = -*c(t)
z
para t 2 O
Controlador PID
En el sistema de control se implantaron tanto controladores PI como PID, enseguida se
describe un controlador PID con antisaturación del término integral [Corripio, 19911 y [Astrom,
19901, ya que el funcionamiento de un PI es similar; sólo que sin acción derivativa. La figura 3.3
muestra el diagrama correspondiente a este elemento.
48
Implantación del modelo de la UT con el sofiure de interfaces gr4ficas
Capítulo 3
r
;
l
I
+
l+
- - W + T 1.
-
I
Actuador
-.p+
u (
Tt
Figura 3.3 Diagrama de un controlador PID con antisaturación del término integral
El controlador mostrado en la figura anterior es descrito por la siguiente ecuación:
donde M(s), E(s) y E,($ son las transformadas de Laplace de las señales m, e y G,
respectivamente (e es la diferencia entre la señal de la variable medida y la referencia deseada).
El funcionamiento de este controlador es el siguiente: la salida del controlador (v) está
formada por la suma de tres señales (acción proporcional + acción integral + acción derivativa).
La acción integral incluye una protección para evitar que la salida del actuador (u) se sature; con
estas dos señales (v y u) se obtiene la señal de error e, (e, = u - v). Este error se retroalimenta
hacia el integrador (1/s) con una ganancia ln,.La señal de error e, es cero cuando el actuador no
est6 saturado (FV). Al saturarse el actuador, la retroalimentación de e, trata de hacer que e, sea
cero. La acción integral está formada por la integral de la suma entre e y e,. Cuando e, es diferente
de cero, su valor es negativo, por lo tanto la señal a integrar es menor y la acción integral
disminuye; esto para lograr que la salida del actuador salga del Iímite de saturación.
3.4
Simulación de la UT
Una vez obtenidas las ecuaciones del modelo y su representación computacional, el
siguiente paso en la simulación de un sistema fisico es la implantación y acoplamiento de un
conjunto de rutinas especializadas que bajo la supervisión de un módulo ejecutivo o coordinador,
permitirán llevar a cabo la solución de las ecuaciones diferenciales y, por ende, la simulación de la
UT.
En este trabajo, la función del módulo coordinador y la integración de las ecuaciones
diferenciales (sección de integración descrita anteriormente) las realiza el paquete de interfaces
gráíiCaS.
49
Capitulo 3
Implantación del modelo de la UT con el softwore de interfaces gráficas
La implantación de los módulos de proceso se realizó creando archivos tipo DLL (librerías
unidas dinámicamente). Un archivo DLL es una librería precompiiada de una función que puede
ser llamada al correr la simulación del módulo en el paquete de interfaces gráficas PisSim, 19941.
A continuación se describe la manera en que se realiza la inter& entre los DLLs y el
paquete de interfaces gráficas, en el apéndice D se presenta el manual del usuario.
Sección de inicio
Como se dijo anteriormente, el paquete de interfaces gráíicas se encarga de la coordinación
y secuencia de la simulación. Las variables que necesitan ser inicializadas antes de empezar la
simulación se dividen en: variables de estado y variables que requieren inicialización.
El equivalente a las variables que requieren inicialización son las señales de entrada al
módulo. Estas señales provienen de los integradores (bloques de la biblioteca del paquete de
interfaces gráficas), constantes de operación de la UT;tales como número de VTF’s, VTI’s, etc. y
de otro módulo; ya sea de proceso o de control.
El siguiente paso en la secuencia de simulación consiste en la lectura de parámetros del
módulo. Los parámetros de los módulos de proceso representan dimensiones y constantes fisicas
de los equipos modelados, y los coeficientes que representan distintas correlaciones de
propiedades termodinámicas. Mientras que los parámetros del modelo del sistema de control
incluyen: limites de las variables de control, parámetros de los controladores, puntos de operación,
ganancias y constantes de tiempo de los controladores.
Sección Derivadas
Esta sección se ejecuta en tres etapas: primero se procede a solucionar las ecuaciones
algebraicas del módulo, enseguida se tienen las señales algebraicas de salida a otros módulos Y
finalmente se calculan las derivadas que se envían como variables de estado a los bloques de
integración obtenidos del paquete de interfaces gráficas.
Sección de integración
El avance de las variables diferenciales de t a t+h se realiza por medio del algoritmo de
integración seleccionado en el panel de control del software de interfaces graficas. Esta función se
efectúa mediante bloques de integración, que se obtienen de las librerías del paquete de interfaces
gráíicas. Este proceso se repite hasta que concluya el tiempo seleccionado de simulación.
Al dividu el modelo de la UT en módulos independientes se generan lazos algebraicos
(ecuaciones implícitas), lo cual implica que para que un módulo proporcione la entrada a otro es
necesario que a su vez el segundo provea de otra entrada al primero. La solución de un lazo
algebraico implica un aumento del tiempo necesario para efectuar una comda de la simulación, el
procedimiento para resolver un lazo algebraico se describió anteriormente.
50
Implantación del modelo de la UT con el sofiare de interfaces gráficas
Capítulo 3
Enseguida se presenta la estructura gráfica de los módulos en que se divide el modelo del
proceso en el so@ware de interfaces gráficas [VisSim, 19941, incluyendo los lazos aigebraicos y
las variables de estado. La descripción de las entradas, parámetros y salidas de cada uno de ellos
se muestran en el apéndice B.
Módulodomo
Nombre
rdrs
Vdnv
Descripción
Densidad del vapor en el domo
Volumen del agua en el domo
Módulo tubos bajantes
51
Capiiulo 3
implantación del modelo de la UT con el sofiure de interfaces gráficas
Módulo bombas de circulación controlada (BCC)
Variable de estado
Nombre
Descripción
IVelocidad angular de las bombas de recirculación
nrp
I
Módulo paredes de agua lado agua-vapor
14363,025594
Variable de estado
Nombre
twwm
I
Descripción
I Temperatura del metal de las paredes de agua
52
Capítulo 3
Implantación del modelo de la W f con el
de interfaces gráficas
Módulo sobrecalentador lado vapor y etapa de atemperación del mismo
L1183.4594
Nombre
hpso
hsso
rpso
rsso
unlaiown
constraint j
Descripción
Entalpía a la salida del sobrecalentador primario
Entalpía a la salida del sobrecalentador secundario
Densidad a la salida del sobrecalentador primario
Densidad a la salida del sobrecalentador secundario
'
53
Implantación del modelo de la UT con el mfiure de interfaces gráficas
Capitulo 3
Módulo turbina de alta presión
Variable de estado
Nombre 1
Descripción
I Densidad a la salida de la caja de vapor
rsco
Módulo recalentador y sección de atemperación del mismo
I l2?9224
UnlmOWn
199635137
unlnoivn
1416.445
UnlmoWn
I100959960
constraint]
mhel
constraini I
*
1
pmEq-
Nombre
hrho
rrho
Descripción
Entalpía a la salida del recalentador
Densidad a la salida del recalentador
54
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sofrwae de interfaces gráficas
Módulo turbina de presión intermedia, tubo de interconexión y turbina de baja presión
Variable de estado
Nombre
Descripción
rcro
Densidad a la salida del tubo de interconexión
I
I
Módulo generador eléctrico
g!iyJZL
nele c
Descripción
Nombre
Ángulo de potencia
delta
ntr
Velocidad angular del grupo turbogenerador
Capítulo 3
implantación del modelo de la UT con el mfiure de interfaces gráficas
Módulo condensador principal
10.67861415-
UnlmOWn
I 1019.0384381t-*l U n l m O W n
Módulo bombas de extracción de condensado
PGlnelec
bbascond.bbac
bbascond
Variable de estado
Nombre I
Descripción
I Velocidad angular de las bombas de extracción de condensado
ncp
56
Capítulo 3
Implaniaciún del modelo de la iJT con el sofrwme de interfaces gráficas
Módulo calentadores de baja presión del agua de alimentación
Variable de estado
Descripción
Nombre I
Entaipía a la salida de los calentadores de baja presión
hho
I
Módulo desgasificador
Descripción
Nombre
Densidad del vapor en el desgasificador
rdes
Volumen del agua en el desgasificador
vdew
57
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sofíwae de interfaces gráficas
Módulo turbina impulsora de la bomba del agua de alimentación al generador de vapor
I 113051146
unúnown
I 1096,456267
unúnm
Módulo bomba principal del agua de alimentación al generador de vapor
Variahle
......-..d
--e entarin
-Nombre I
Descripción
IVelocidad angular de las bombas del agua de alimentación a caldera
nfp
___I
58
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sojhme de interfaces gráficas
Módulo calentadores de alta presión del agua de alimentación y economizador
Nombre
heco
hhh0
Descripción
Entalpía a la salida del'economizador
Entaipía a la salida de los calentadores de aka presión del agua de alimentación
Variable de estado
Nombre I
Descripción
I Velocidad angular de los ventiladores de tiro forzado
nfp
1
59
Capitulo 3
Implantación del modelo de la U i con el sofime de interfaces gráficas
Módulo flujo de aire y gases de salida (chimenea)
Módulo inclinación de quemadores
Módulo paredes de agua lado gases de combustión
60
Capítulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sofiware de interfaces gráficas
Módulo sobrecalentador, recalentador y economizador lado gases de combustión
Móduloventiladores de tiro inducido (VTI)
v&du.vti
Variable de estado
Nombre I
Descripción
nid
IVelocidad angular de los ventiladores de tiro inducido
A continuación se presenta la estructura en lenguaje gráfico de los módulos en que se
divide el modelo del sistema de control de la UT en el sojiiare de interfaces gráficas [VisSim,
19941. En el apéndice B se realiza la descripción de los parámetros de cada uno de eilos.
En la pantalla principd del simulador de la UT está el bloque ISistema de Control
1
colocando el cursor del mouse sobre dicho bloque y presionando el botón derecho se muestran
todos los módulos de control que conforman el sistema de la UT.
61
implantación del modelo de la U i con el sofrwae de interfaces gráficas
Capítulo 3
Módulo del control de combustión
Al colocar el cursor del mouse sobre el bloque:
Control de combustión
y presionar el botón derecho aparece el siguiente mimico:
Presión del
vapor principal
Velocidad de
la turbina
Q
-
Demanda
I
n
Ventilador de
tiro forzado
-7
CWfl
n
Válvula de
combustible
62
Implantación del modelo de la UT con el software de interfaces gráficas
Capítulo 3
--
Repitiendo la operación anterior sobre el mímico en la sección de la presión del vapor principal,
entonces se abre la siguiente ventana:
Lazo de control de la presión del vapor principal
Transductor
deentrada
Transductor
deentrada
376.991
Controlador PI de
la presión del
vapor a la salida
del sobrecalentador
secundario
Al colocar el mouse sobre el bloque correspondiente al simulador del transductor de
entrada de la variable de proceso @so) y presionar el botón derecho, se abre la siguiente ventana:
I
4 kpssol
I
-
+
-
kcl= 1.0
kcu=5.0
U
Repitiendo la misma operación sobre cada múnico de los módulos de control se presenta la
estructura en lenguaje gráfico de los mismos en el simulador de la UT.
Controlador PI de la presión del vapor en el sobrecalentador secundario
kcl= 1.0
~
-
63
implantación del modelo de la U i con el m@me de interfaces gráficas
Capitulo 3
Lam de control del flujo de aire
-
Controlador PI
Simulador del actuador (compuertas de entrada de los VTF's)
4 card
kavu
u 1 .O
m
kavl
u -u
h
+
kcl= 1.0
kcw5.0
kcu
-7
Los simuladores de los transductores de entrada y los actuadores o elementos finales de
control son similares a excepción de los límites y rangos de los mismos, es por esto que no se
presentan los de los módulos siguientes.
64
Implantación del modelo de la UT con el so@ure de interfaces gráficas
Capitulo 3
Controlador PI del flujo de aire
Lazo de control del flujo de combustible
+cwar+
= f
merge
+cbmd +
Controlador PI
+
+
----f-rb
Controlador PI del flujo de combustible
kcl= 1.0
_.
60
+ktclfi
65
Capitulo 3
implantación del modelo de la UT con el sopVare de interfaces gráficas
Módulo del control de la presión en el hogar del generador de vapor
Transductor
de salida
Transductor -Controlador PI de
de entrada
la presión en el
Transductor
+generador
lo)0
kPfii
de entrada
de vapor
Controlador PI de la presión del hogar del generador de vapor
kcl= 1 .O
-+ktclh
~
40
~
U
T
66
Capiiulo 3
Implantación del modelo de la UT con el sojware de interfaces gráficas
Módulo del control del flujo de agua de alimentación al generador de vapor
kc3fv
- u
Transductor
de entrada
-
+
Transductor
de entrada
-b Pia
Transductor
de entrada
Controlador PI
del flujo de agua
de alimentación
*
-
Controlador PI
del nivel de agua -
Transductor
de entrada
Transductor
de entrada
I
ktc3fv
I
Controlador PI de nivel de agua en el domo
kcl= 1.0
kcu=5.0
Controlador PI del flujo de agua de alimentación ai generador de vapor
kcl= 1.0
Implantación del modelo de la UT con el sofíwae de interfaces gráficas
Capítulo 3
-
Lazo de control de la turbina impulsora de la bomba del agua de alimentación
kpfvd
Transductor
deentrada
presión diferencial en
la válvula de control
del flujo de agua de
Transductor
deentrada --b alimentación
Controlador PI de la presión diferencial en la vhivuia de control del flujo de agua de alimentación
kcl= 1.0
Módulo del control del flujo de condensado
Controlador PI
I
68
implantación del modelo de la UT con el sofiure de interfaces gráficas
Capítulo 3
Controlador PID del nivel de agua en el desgasificador
Controlador PI del flujo de condensado
kcl= 1.0
120 +ktddv
Módulo del control de la temperatura del vapor en el recalentador
69
Implantación del modelo de la UT con el sofiwe de interfaces gráficas
Capítulo 3
Controlador PI de la temperatura del vapor en el recaientador
kcl= 1.0
-
-
Lazo de control del flujo de los gases de recirculación
k c g = 1.0
-
70
implantación del modelo de la UT con el sofiure de interfaces gráficas
Capitulo 3
Módulo del control de la temperatura del vapor en el sobrecalentador
-)Controlador
PI de la
Controlador PI de la temperatura del vapor en el sobrecalentador secundario
kcl= 1.0
60 +ktclsy .
-
-
f
71
Capíiulo 3
Implantación del modelo de la UT con el m@we de interfa= gráficas
Módulo del control de turbina
Unidad de contsol
de carga
Unidad de control de carga
kcl= 1.0
-
ktcltr
'
I
72
Capíiulo 3
3.5
implantación del modelo de la UT con el sojiware de interfaces grhficas
Verificación estática del simulador de la UT
Para validar el funcionamiento en estado estable del simulador, se cuenta con los datos
(estados del proceso y del sistema de control) del trabajo de [Usoro, 19771para la operación de la
planta al 100% de carga (600 Mw).
Con estos datos se procede a simular una corrida de 700 segundos manteniendo constante
al 100% la demanda de carga. En este punto se detecta que la respuesta del simulador de la UT no
corresponde al del modelo original [Usoro, 19771.
Después del análisis del efecto de los parámetros sobre las variables algebraicas, se
proponen los siguientes cambios a los coeficientes de transferencia de calor del flujo de los gases
de combustión hacia el metal de los intercambiadores de calor con los que tiene contacto
(economizador y sobrecalentador). De esta manera, se válida el funcionamiento en estado estable
del simulador implantado en este trabajo. En la tabla 3.4 se presentan los cambios realizados sobre
los valores de los parámetros.
Nombre
del paráDescripción del parámetro
metro
Factor específico de la temperatura del flujo
ksgt
de gases de combustión
kuecgm Coeficiente de transferencia de calor de los
gases al metal del economizador
kupsgm Coeficiente de transferencia de calor de los
gases al metal del sobrecalentador primario
kussgm Coeficiente de transferencia de calor de los
gases al metal del sobrecalentador secundario
Valor
en
el
modelo digital de
[Usoro, 19771
10.2272E-6
Valor en el simulador desarrollado en este trabajo
5.2272E-5
9.32379
5.3
1.80123
2.80123
3.75513
5.95513
73
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
CAPÍTULO 4
PRUEBAS DE VALIDACIÓN Y ANÁLISIS DE
RESULTADOS DE LA SIMULACI~N
4.1
Introducción
Para verificar que el modelo de la UT simulado en este trabajo conserva el comportamiento
del modelo original en el rango de operación del 40 al 100% (260 a 600 Mw.) [usoro, 19771, es
necesario llevar a cabo en el simulador modularizado las mismas pruebas que se realizaron sobre
dicho modelo y comparar los resultados obtenidos. En este capítulo se describirán las pruebas a las
que se sometió el simuiador implantado en este trabajo, para validar su operación dinámica y de
estado estable.
De acuerdo al alcance propuesto en este trabajo de tesis se prueba una sola codguración
de UT y una técnica de control, pero en la verificación estática del simulador (punto 3.5 del
capítulo anterior) se prueba que el simulador implantado en este trabajo es fácilmente configurable
para el ajuste de parámetros. A continuación se presenta la lista de las pruebas realizadas sobre el
simulador.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Disminución del 100% al 77.5% de carga ai 15% por minuto.
Disminución del 77.5% al 50% de carga al 15% por minuto.
Incremento del 50% al 77.5% de carga al 15% por minuto.
Incremento del 77.5% al 100% de carga al 15% por minuto.
Disminución del voltaje en un escalón del 30% al 77.5% de carga.
Disminución de fiecuencia de 60 a 56 Hz en 20 segundos.
Pérdida de un par de ventiladores (un VTF y un VTI).
4.2
Pruebas propuestas y condiciones de prueba
Como se mencionó anteriormente, el ambiente bajo el que se probó la simulación es el
mismo que el utilizado en el modelo original [vsoro, 19771 es deck el algoritmo para integrar las
ecuaciones diferenciales que describen la UT es Runge-Kutta de orden cuatro, paso de
integración de 0.1 segundos y para derivar (prealimentación en el esquema de control) se utiliza el
método de Euler. A continuación se describen las pruebas de validación dinámica y de estado
estable del modelo simulado.
74
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
4.2.1 Prueba 1
Disminución del 100% al 77.5% de carga al 15% por minuto.
En esta prueba se simula que la planta opera durante 10 segundos al 100% (600 Mw)
utiluando los valores iniciales de los estados correspondientes al 100% de carga del modelo
o r i g d vsoro, 19771. Después de 10 segundos, se apiica una señal del 15% por minuto (90
Mw/min) para reducir la demanda de carga (ldc). Después de 90 segundos la demanda de carga
lleva a la planta al 77.5% (465 Mw) de carga.
La respuesta de algunas variables representativas del sistema se muestran en las figuras 4.1
a 4.12. En ellas se puede ver que la velocidad angular de la turbina permanece prácticamente
constante a pesar de las variaciones de la potencia generada (mwo), esto se debe a que el efecto
del resorte electromagnético sobre el generador fue explícitamente modelado. El flujo de vapor
principal (whp) es controlado adecuadamente por que la potencia generada sigue de cerca a la
demanda de carga, apenas un 1% de sobrepaso. La presión del vapor principal @so) se
incrementa inicialmente debido a que las válvulas de control (agv) se cierran respondiendo a la
disminución en la demanda de carga. Como el controlador (PI) de presión del vapor principal
forma parte del sistema de control de combustión, la presión del vapor principal p e m e c e casi
constante fuera del punto de ajuste (2415 psia) durante los 90 segundos que dura el comando de
disminución de carga pero posteriormente regresa a las 2415 psia.
Las temperaturas del vapor en el sobrecalentador y en el recalentador dependen
directamente de la entalpía. Similarmente, los volúmenes del agua en el domo y el desgasificador
determinan los niveles del agua en el domo y en el desgasificador respectivamente. El incremento
inicial en la temperatura del sobrecalentador se debe a la compresión adiibatica del vapor por el
cierre de las válvulas de control de turbina. La disminución de la temperatura del vapor en el
recalentador es por la caída del flujo del vapor de la turbina de alta presión al recalentador. Estas
desviaciones son corregidas por los sistemas de control de temperatura del sobrecalentador y del
recalentador respectivamente. El incremento inicial de los niveles del agua en el domo y en el
desgasificador se deben a la disminución de los flujos de salida de vapor y agua respectivamente,
nuevamente los sistemas de control del flujo del agua de alimentación a caldera y del flujo de
condensado regresan los niveles a sus puntos de ajuste (O pulgadas).
Los resultados de la simulación muestran que la planta responde adecuadamente a este
cambio en la demanda de carga con un buen control sobre las variables de la misma.
Después de 2000 segundos de simulación se obtienen los valores de los estados al 77.5%
de carga (465 Mw), estos datos se comparan con los de planta y los obtenidos por Usoro psoro,
19771, en la tabla 4.1.
75
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
100
“0
200
300
400
tisqio (=SI
500
600
100
100
100
200
300
400
hsnpo (ses)
500
aw
Flujo del vapor principal.
ti-
(4
3W
4W
tiriiipo (srg,
500
M)I)
700
aw
700
Presión del vapor principal.
Potencia eléctrica generada.
8000
200
Control de las viilvulas gobernadoras.
100
o
100
200
300
400
tisqio 0%)
500
Control maestro de caldera.
tisqio (4
Control del flujo de combustible.
Figura 4.1 Tendencias de la Prueba 1: disminución del 100% ai 77.5% de carga.
16
Capítulo 4
3.41
n
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
100
200
300
tiaiipo
400
(W
500
600
I
7w
Gaiipo
Control del flujo de aire.
14350
id0
2kl
3kl
tisnpo
4kl
(4
500
&
I7
k
-1
1
o
ion
100
204
300
400
( S e
500
M)o
Nivel del agua en el desgasiñcador.
200
300
4w
timlPa (sed
5011
600
i
700
Nivel del agua en el domo.
Temperatura del vapor recalentado.
O
(se
Temperatura del vapor principai.
700
o
100
200
300
ticrnpo
400
500
(4
6M)
7w
Presi6n en el hogar del generador de vapor.
Figura 4.1 Tendencias de la Prueba 1, continuación.
77
Capítulo 4
de alta presión
Flujo de aire
Flujo de combustible
Presión en el hogar
Pruebas de validación y anáiisis de resultados de la simulación
War
wfl
pfh
Ib/seg
Ib/seg
psia
961.3
62.6
14.7
972.1
63.3
14.7
1.1
1.1
0.0
967.08
63.0
14.7
0.62
0.63
0.0
78
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
4.2.2 Prueba 2
Disminución del 77.5% al 50% de carga al 15% por minuto.
La simulación inicia con la planta operando al 77.5% (465 Mw) durante 10 segundos con
los valores iniciales de los estados obtenidos de la prueba 1. Después de 1O segundos, se aplica
una señal del 15% por minuto (90 Mwímin) para reducir la demanda de carga (Idc). Después de
110 segundos la demanda de carga lieva a la planta al 50% (300 Mw) de carga.
En las figuras correspondientes a esta prueba se presentan las respuestas de las variables
más representativas del sistema. Cualitativamente estas respuestas son similares a las obtenidas en
la prueba 1 y, los comentarios hechos ahí son aplicables a estas respuestas. Sin embargo, la prueba
2 difiere sólo en los cambios de los puntos de ajuste para los controladores de temperatura del
vapor en el sobrecalentador y recalentador debido al nuevo valor en estado estable para el flujo de
vapor principal (whp). Nuevamente, las gráficas muestran que la respuesta de la planta es buena
ante el cambio en la demanda de carga.
Después de 2000 segundos de simulación se obtienen los valores de los estados al 50% de
carga (300 Mw), en la tabla 4.2 se muestra la comparación de los datos de planta [Usoro, 19771,
los de Usoro y los de la simulación.
79
Capítulo 4
O
100
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
200
300
ti-0
400
(49
500
6Im
100
200
300
400
tisnpo (49
SM)
Mx)
:
Presión del vapor principal.
Potencia eléctrica generada.
(seg)
tisnpo (ses)
Control maestro de caldera.
Flujo del vapor principal
4
3.8
3.8
+. ............
i
;............ ;............
i
;..........
.: ............ :
............. !.-.......... i
100
200
300
400
tianPo (64
300
600
Control de las váivulas gobernadoras.
7M:
2 6
o
100
200
300
ti-
400
(64
500
600
IO
Control del flujo de combustible.
Figura 4.2 Tendencias de la Prueba 2: disminución del 77.5% al 50% de carga.
80
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
100
O
300
200
ti-
400
(4
500
MI0
7W
1460 ............
'4000
i
I00
........... i
200
:
100
200
300
400
tisap.(Scg)
.
SO0
M)o
700
Temperatura del vapor principal.
Control del flujo de aire.
1470
'4200
i
i
300
400
esnpo (scp3
so0
rn
300
500
700
Temperatura del vapor recalentado.
O
100
200
tisapo
400
(e
600
Nivel del agua en el desgasificador.
700
esnpo
(e
Presión en el hogar del generador de vapor.
Figura 4.2 Tendencias de la Prueba 2, continuación.
81
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
Variable
en el recalentador
Presión del vapor en eilprho
I recalentador
I
Datos de I Modelo digital 1 Modelo de tesis
planta
de psoro, 19771
Valor
IValor
1% delvalor 1% de
error
error
300.0
300.0
0.0
299.99
0.0
377.0
377.0
0.0
376.99
0.0
554.1
530.2
4.2
530.33
4.2
2415.0 2415.4 0.0
0.0
2415.0
985.0
979.5
0.6
0.31
1444.67 I
I
11440.08 I
935.0
956.6
2.3
1.19
1411.31
1394.67
273.0
266.44
3.77
262.7
3.8
lpsia
I
2553.7
2493.7
2.3
2496.51
2.23
0.0
-0.07
0.0
0.0
0.0
31.2
132.4
13.8
122.36
128.33
I
I
1
I
0.0
Flujo de aire
1 Presión en el hogar
War
1p h
I
I
I Ibíseg
I psia
1-0.003
10.0
10.0
10.0
169.3
157.1
7.2
158.35
6.46
399.56
437.3
9.4
411.78
3.05
668.4
42.1
14.7
1652.5
142.4
114.7
12.4
10.7
10.0
1642.96
141.89
114.69
13.8
10.49
10.0
Tabla 4.2 Comparación de los valores en estado estable de la simulación del modelo original
[Usoro, 19771, los datos de planta y los resultados de este trabajo al 50% de carga.
82
Capítulo 4
Pruebas de validación y anáiisis de resultados de la simulación
4.2.3 Prueba 3
Incremento del 50% al 77.5% de carga al 15% por minuto.
En esta prueba el sistema se mantiene operando al 50% (300 Mw) durante 10 segundos,
tomando los valores iniciales de los estados de la prueba 2. Posteriormente, se incrementa la señal
de demanda de carga (Idc) en un 15% por minuto (90 Mwímin). Así,en 110 segundos la señal de
demanda de carga es del 77.5% (465 Mw).
Las gráficas de la prueba muestran la respuesta en el tiempo de las principales variables del
sistema. De nuevo, la velocidad angular de la turbina permanece virtualmente constante, el flujo de
vapor principal se controla adecuadamente por que la potencia generada sigue de cerca la señal de
demanda de carga con un pequeño sobrepaso del 1%. Por razones similares a lo que ocurrió en las
pruebas anteriores, las temperaturas del vapor principal, del recalentador y los niveles del agua en
el domo y el desgasificador siguen tendencias opuestas a las obtenidas cuando la demanda de
carga disminuye (pruebas 1 y 2).
Esta es una prueba drástica, considerando que el incremento en la demanda carga del 15%
por minuto es alto. En la mayoría de las unidades termoeléctricas los cambios en la demanda de
carga están limitados al 10% por minuto y usualmente son menores al 5% por minuto en
condiciones normales de operación [Usoro, 19771. Sin embargo, cambios del 15% por minuto en
la señal de demanda de carga son deseables bajo condiciones de emergencia de la planta. El Iímite
del porcentaje de cambio en la señal de carga es dado por el régimen particular de segundad de la
planta en consideración.
Los resultados de la simulación muestran que la respuesta del sistema (planta y control) es
adecuada. A continuación se presentan las gráficas de las variables representativas de la UT.
83
Capítulo 4
3000
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
100
200
300
400
tiaw (scs)
S00
600
o
lo0
100
200
Mo
400
tisnpo (4
500
200
so0
ti-o
4M)
(scs)
s00
600
100
WO
o0
Presión del vapor principal
Potencia eléctrica generada.
'"O0
100
600
Flujo del vapor principal.
timv (scs)
Control de las válwlas gobernadoras,
700
' 0
100
200
300
400
So0
tisnpo (4
Control maestro de caldera.
tisnpo (scs)
Control del flujo de combustible.
Figura 4.3 Tendencias de la Prueba 3: incremento del 50% al 77.5% de carga.
84
Capítulo 4
22
O
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
i....
i
100
200
------i
....
i
300
400
timP (ses)
i..........
S00
6W
100
t i e (scg)
Control del flujo de aire.
Temperatura del vapor principal.
o
100
t i w o (scg)
L
O
100
200
300
400
timwo (99)
500
600
Nivel del agua en el desgasificador.
300
400
tiw (scg)
s00
M)o
700
Nivel del agua en el domo.
Temperatura del vapor recalentado.
-.3
200
I
700
14
oI
I00
200
300
4w
t i e
(e
500
SMi
I
1w
Presión en el hogar del generador de vapor.
Figura 4.3 Tendencias de la Prueba 3, conthuación.
-85
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
4.2.4 Prueba 4
Incremento’del77.5% al 100% de carga al 15% por minuto.
Esta prueba inicia con la planta operando al 77.5% (465 Mw) durante 10 segundos con los
valores iniciales de los estados obtenidos de la prueba 1, posteriormente se aplica una señal del
15% por minuto (90 Mwímin) para aumentar la demanda de carga (ldc) al 100% en 90 segundos.
Las griificas muestran que el funcionamiento del sistema es apenas adecuado. Esto se debe
a lo drástico de la prueba y ai hecho de que el sistema opera casi a su máxima capacidad. Algunas
de las señales de control se saturan durante la respuesta transitoria del sistema.
Como consecuencia de lo anterior, el tiempo que les toma a las variables de planta alcanzar
sus puntos de ajuste es relativamente grande comparado con las pruebas anteriores. La potencia
generada no sigue exactamente la señal de demanda de carga.
Revisando los resultados de las 4 pruebas podemos ver que al sistema le es más diñcii
seguir un incremento en la señal de carga (Idc) que una orden de disminución en la misma.
Después de 2000 segundos de simulación se obtienen los valores de los estados al 100% de carga
(600 Mw), estos datos se comparan con los de planta y los obtenidos por Usoro [usoro, 19771 en
la tabla 4.3. A continuación se presentan las respuestas en el tiempo de las variables más
importantes; tanto del proceso como del sistema de control en un periodo de 700 segundos. Las
dos últimas figuras de la prueba muestran las señales de la potencia eléctrica generada y la presión
del vapor principal en un periodo de 2000 segundos, en donde puede verse que la planta alcanza el
estado estable al 100Y0de carga (600 Mw).
& 2330
2 2310
a 2290
2270
v
“
h
2250
460o
1w
zw
2230
300
tisripc
400
(4
500
Potencia eléctrica generada.
600
:
22lOt
o
,
1w
,
200
,
300
tisripc
,
4w>
(4
,
5w
,
600
o
Presión del vapor principal.
Figura 4.4 Tendencias ae la Prueba 4: incremento del 77.5% al 100% de carga.
86
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
1150
5
4.8-
'
-g 4.4 3
4.6
2" 4.2v
4
-
3.8.
4.6
4.5 -
h
4.44.3-
4.2-
B
F 4.1 -
4 3.93.8
3.1
3
1480
1415 1470 -
3.6
3.8Y
3.41
o
1 0
200
300
ti-
4 0
(se
Control del flujo de aire
500
600
I
700
1440 1435 1430
o
100
200
300
ti-
400
(4
500
600
'
io
Temperatura del vapor principal.
Figura 4.4 Tendencias de la Prueba 4, continuación.
87
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
1440 1435 O
100
200
400
300
(sep)
500
Mw
700
100
O
200
300
400
tianpo (scs)
500
600
I
700
Nivel del agua en el domo
Temperatura del vapor recalentado.
1875 14.8s 14.82514.8 14.775
4 14.75
14.72514.7
14.67514.65 14.625 14.6
-
9
tisilPo (&
Nivel del agua en el desgasificador.
-
2370
g
2330
a 2310
2290
2270
225ot
2230
O
.
-
Potencia eléctrica generada, en t=2000 s.
v
250
500
750
1000 IS0 I500 1750
tiaripc
Presión del vapor principai, en t-2000 s.
Figura 4.4 Tendencias de la Prueba 4, continuación.
88
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
Tabla 4.3 Comparación de los valores en estado estable de la simulación del modelo original
[vsoro, 19771, los datos de planta y los resultados de este trabajo al 100% de carga.
89
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
4.2.5 Prueba 5
Disminución del voltaje de línea en un escalón del 30% ai 77.5% de carga.
La simulación inicia con la planta operando al 77.5% (465 Mw) durante 10 segundos con
los valores iniciales de los estados obtenidos de la prueba 1. Después de 10 segundos, se aplica
una señal en escalón para reducir en un 30% el voltaje de línea (velec); de 4160 V a 2912 V ( La
mayoría de las plantas se disparan a este nivel de voltaje).
Esta prueba se realizó para estudiar la innuencia de los cambios en el voltaje de línea sobre
el sistema y en particular sobre el equipo auxiliar de la planta. Las gráficas de la figura 4.5
muestran que los componentes más afectados por la reducción en el voltaje de línea son los
manejadores de las maquinas eléctricas. Este efecto se manifiesta en una disminución de la
velocidad de las bombas y los ventiladores. Esta reducción en la velocidad se refleja en una
disminución de los flujos asociados, por ejemplo, el flujo de aire (war), flujo de condensado (wcw)
y el flujo del agua de recirculación (wrw).
A excepción de los pequeños cambios en la velocidad de los ventiladores de tiro inducido,
tiro forzado, de las bombas de extracción de condensado, de las bombas de recirculación y de la
menor dinámica en la excursión de los lados aire y condensado, el sistema caldera-turbina continua
operando bajo condiciones estables. Esto se debe a dos razones. La primera se debe a que
cualquier error atribuido ai disturbio es compensado por una adecuada acción de control, la cual
se refleja en un incremento en las señales de control de los flujo de aire y de condensado. La
segunda implica que como el sistema opera al 77.5% de carga, esto le permite absorber la
reducción aplicada en el voltaje de línea. Sin embargo, al 100% de carga el sistema no es capaz de
compenw el disturbio aplicado al voltaje de línea y la planta podría dispararse.
Se realizó una prueba similar, pero con un escalón descendente del 40% (2296) del voltaje
de línea (no se muestran las gráficas, pero en el archivo ejecutable de esta prueba se puede
comprobar), mostrándose que las bombas de condensado no son capaces de mantener el flujo de
condensado y consecuentemente se dispara la planta por el bajo nivel del agua en el desgasificador
(a los 61 segundos de simulación).
El lado vapor vimialmente no se ve afectado con el escalón descendente del 30% y
aparentemente en esta prueba no es importante que se haya modelado la didmica del lado agua de
alimentación. Pero al repetir la prueba con el escalón del 40%, si no hubiera sido modelado el lado
agua de alimentación no se apreciarían cambios en los resultados; lo cual es incorrecto.
A continuación se presentan las respuestas en el tiempo de las variables más importantes;
tanto del proceso como del sistema de control.
90
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
470
469 -
f
2440-
243s 2430 -
46461
-
2425
-
3 2415
&b 46s.
E
g 46‘E 463462
-
a 2420-
466-
i24102405 -
-
2400
461 -
u95
460
O
SO
100
IS0
200
(4
2SO
300
350
-
O
SO
100
IS0
tisnpo
(se
200
Control del flujo de aire.
250
100
IS0
200
hmaa (4
2SO
300
350
Control del flujo de combustible.
Control maestro de caldera.
O
50
300
350
O
SO
100
IS0
200
2SO
tisnpo (4
300
3SO
Control del flujo de condensado.
Figura 4.5 Tendencias de la Prueba 5: disminución del voltaje de línea en un escalón
del 30% al 77.5% de carga.
91
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
7
fE.75
186,s
186.25
183.5
184.25
O
50
I00
IS0
200
hsiipo (scg)
250
300
350
184 O
50
100
IS0
200
ti=v (scg)
250
300
3 O
Velocidad de la bomba de condensado.
Velocidad de la bomba de recirculación.
93.4
g
61.8
61.6
61.4
61.2
92.2
O
50
100
150
200
(gs)
250
200
m
300
350
O
SO
so
100
IS0
tianPo (srs)
Nivel de agua en el domo.
150
200
(e
250
300
Velocidad del VTi.
Velocidad del VTF.
o
100
300
3%
O
SO
I00
IS0
200
(scg)
250
300
3SO
Nivel de agua en el desgasificador.
Figura 4.5 Tendencias de la Prueba 5: continuación.
92
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
4.2.6 Prueba 6
Disminución de frecuencia de 60 a 56 Hz en 20 segundos.
Frecuentemente, la mayoría de los disturbios en las plantas termoeléctricas se manifiestan
como una reducción en la fiecuencia del sistema. Entre las causas de estos disturbios se
encuentran: pérdida de conexión a la red de un grupo de generación de gran capacidad,
incrementos súbitos en la demanda de carga, desconexión en las líneas, etc. En situaciones como
estas, el sistema generador de energía eléctrica depende de la dinarnica de operación de todo el
grupo al que esté sincronizado. Esta prueba permite estudiar el efecto de reducir la frecuencia en
una unidad en operación y el efecto que ello tiene sobre las demás unidades.
Ai realizar esta prueba se detectó que al modelo adaptado no le fue posible responder a las
condiciones de prueba del modelo original [Usoro, 19771,por lo que fue necesario determinar la
pendiente máxima de disminución en la fiecuencia de línea (originalmente la pendiente es de 0.8
Hz por segundo).
La simulación inicia con la planta operando al 77.5% (465 Mw) durante 10 segundos con
los valores iniciales de los estados obtenidos en la prueba 1. Después de 10 segundos, se aplica
una seiIal con pendiente de 0.2 Hz por segundo para reducir la fiecuencia de línea de 60 a 56 Hz
en 20 segundos.
La respuesta en el tiempo de las variables más representativas del sistema se presentan en
las gráiicas de la figuras 4.6.Al reducirse la fiemencia, las válvulas de control de turbina se abren
totalmente intentando generar rnb potencia, mientras que la señal de demanda de carga (ldc)
permanece constante. Esta acción es para ayudar a compensar la desviación en la fiecuencia. La
apertura de las válvulas de control incrementan instantáneamente el flujo de vapor principal y por
consiguiente la potencia generada pero simultáneamente, la presión del vapor principal decae.
Consecuentemente, el flujo de vapor principal alcanza su máximo valor haciendo que las váivuias
de control de turbina permanezcan totalmente abiertas. La disminución de presión del vapor
principal causa un incremento en la demanda del maestro de caldera (en el control de combustión),
y por consecuencia las señales de control de los flujos de aire y de combustible se incrementan
demandando más aire y combustible.
Simultáneamente, la caída en la fiecuencia tiene un efecto adverso sobre los manejadores
de los motores de inducción de los ventiladores y las bombas, limitando por eilo los flujos
máximos suministrados por los equipos auxiliares. En efecto, los ventiladores no pueden
suministrar suficiente flujo de aire para iievar la presión del vapor principal a su punto de ajuste, a
pesar de que la señal de control del flujo de aire está a su máximo valor (5V)y la compuerta del
ventilador completamente abierta. El flujo de combustible es limitado por el flujo de aire para
mantener una adecuada combustión.
93
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
Como resultado, la presión del vapor principal no puede alcanzar su punto de ajuste y por
lo tanto la planta no puede producir la potencia máxima, de cualquier m e r a bajo estas
condiciones es deseable que el sistema produzca la mayor cantidad posible de megawatts de
potencia. La presión del vapor principal se establece en 2080 psia y la potencia generada en 525
Mw (la capacidad de la planta bajo condiciones n o d e s de operación es de 600 Mw a una
presión del vapor principal de 2415 psia). Esta prueba demuestra la acción de las viilvulas de
control y que con un decremento de 4 Hz en la fiecuencia, la planta sólo logra producir el 87.5%
de su capacidad de generación.
La respuesta en el tiempo de la velocidad de las bombas y ventiladores muestran una
reducción, provocando la disminución de los flujos asociados. El efecto de la reducción del flujo
de aire sobre la presión del vapor principal y la potencia generada se discutió anteriormente. La
reducción del flujo de condensado se refleja en la caída inicial del nivel del agua en el
desgasiñcador, mientras que el control responde incrementando la señal de control sobre la válvula
de control del desgasiñcador para compensar la disminución de la velocidad de las bombas de
extracción de condensado.
Además de la limitación de la potencia generada debida al flujo de aire, el flujo de
condensado demandado es del 90% del valor a plena carga con lo que el esfuerzo en las bombas
de extracción de condensado se reduce. La caída inicial del nivel del agua en el domo se debe al
súbito incremento del flujo de vapor de salida del domo cuando las válvulas de control de turbina
abren totalmente. Esto es compensado por el sistema de control del flujo de agua de alimentación
a caldera. Las temperaturas del vapor en el sobrecalentador y en el recalentador son controladas
adecuadamente por sus respectivos sistemas de control.
En los resultados mostrados aquí, el sistema de control del flujo de gases de recirculación
fue desactivado con el objeto de hacer más rápida la estabilización de la planta.
o
100
200
3 0
400
tiaapo
500
Mx>
Velocidad angular del grupo turbina.
loo
o
1w
200
300
ti-
4M1
(W
500
Mx>
loo
Potencia eléctrica generada.
Figura.4.6 Tendencias de la Prueba 6: disminución de la fiecuencia de h e a
de 60 a 56 Hz en 20 segundos al 77.5% de carga.
94
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulaci6n
Capítulo 4
O
(*
5
........... i ..
;
4
...........
i............. i
3.8
..& ..........
3.60
1M
+.....
ZM,
_.............. 4
.....:
.
200
300
400
tismpo
(4
500
600
700
Fiujo del vapor principal.
Presión del vapor principal.
4.8
100
-
:............
5
4.8
.
L
._
........ 2 ............ +.............
i............
j
i
3&
4&
ti=W
(e
5&
MM
7k
3.6
o
Control del flujo de combustible.
200
300
tianPo
400
(e
500
600
l
780
Control de la válvula gobernadora.
Control maestro de caldera.
tiempo 6%
100
O
100
200
300
400
tianPo (seg)
S00
600
7w)
Control del flujo de aire.
Figura 4.6 Tendencias de la Prueba 6: continuación.
95
Capitulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
178
176
174
o
Velelocidad de la bomba de recirculación.
tisilPo
Velocidad del VTF.
100
100
2C4
300
ti-0
400
(e
500
300
400
ü"po
500
m
O
200
(e
600
700
Velocidad del VTI.
1
8
O
300
400
timiPo (sc9,
Velocidad de la bomba de condensado.
O
(e
Mo
100
500
Nivel del agua en el domo.
7W
o
........;.............
j
100
200
....... .......!............ :..... ..... i~
~j
3w
~
tisilPo
~~~
400
500
MM
7w
Nivel de agua en el desgasificador.
Figura 4.6 Tendencias de la Prueba 6: continuación.
96
Capítulo 4
Pruebas de validación y anáiisis de resultados de la shulacih
4.2.7 Prueba 7
Pérdida de un ventilador de tiro inducido y uno de tiro fomdo.
En esta prueba el sistema se mantiene operando al 100% durante 10 segundos, utilizando
los valores iniciales de los estados correspondientes al 100% de carga. A los 10 segundos se
reduce el número de ventiladores de tiro inducido y de tiro forzado de 2 a 1 par en operación,
manteniendo la señal de demanda de carga (Idc) al 100% (para no forzar a la planta a un
“run-back?).
Al salir de servicio un par de ventiladores, el flujo de aire se reduce causando una
disminución en la presión y el flujo del vapor principal y, como consecuencia en la potencia
generada. El control de combustión incrementa la señal de control del flujo de aire a su valor
máximo (5v) pero como sólo hay un par de ventiladores en operación (un VTF y un VTI), el flujo
de aire no se incrementa y la señal de control del mismo permanece a su máximo valor. La presión
del vapor principal se estabiliza en 1800 psia, con un error permanente de 615 psia. La potencia
máxima generada por el sistema es del 77% (460 Mw).
En esta prueba se ve afectado también el nivel del agua en el domo, el cual se incrementa
inicialmente por la reducción del flujo de aire, el calor transferido de los gases de combustión a las
paredes de agua se reduce y por ello la calidad del vapor que entra al domo baja. La reducción
inicial en el nivel de agua del domo se debe a la evaporación del agua en el domo por la caída de la
presión en el mismo a causa de la disminución de la temperatura de los gases de combustión. El
sistema de control del flujo del agua de alimentación al generador de vapor logra finalmente
regresar a su punto de ajuste el nivel del agua en el domo. Los controladores del nivel del agua en
el desgasificador y del flujo de condensado responden de manera similar que en la prueba 1. A los
sistemas de control de temperatura del vapor en el sobrecalentador y el recalentador se les dificulta
mantener en su valor nominal dichas temperaturas, tal como muestran las señales de control de las
mismas. En esta prueba también se mantuvo fuera de servicio el sistema de control de los gases de
recirculación por la misma razón que en la prueba 6.
El efecto de este disturbio en la velocidad de operación de los ventiladores es de mayor
interés. La velocidad del ventilador de tiro forzado se reduce por el aumento de carga que tiene
que manejar comparada con la que maneja cuando operan los ventiladores (Operando los dos
ventiladores, cada uno suministra 615 lb/s de aire; pero uno sólo suministra 840 Ib/s). El ventilador
de tiro inducido incrementa lentamente su velocidad porque, las compuertas de entrada al
ventilador tienden a cerrar para mantener la presión en el hogar del generador ai valor deseado
(14.7 psia).
Enseguida se presentan las gráñcas correspondientes a esta prueba.
91
Capítulo 4
h e b a s de validación y análisis de resultados de la simulación
-
..........................
100
6 - w (se3
1 0
200
300
400
tianPo (se3
so0
400
(4
500
Presión del vapor principal.
Potencia eléctrica generada.
6soo
300
200
m
o
7w
300
200
100
400
6cg)
500
600
700
.
600
700
Control maestro de caldera.
Flujo del vapor principal.
..........j ._
>...........
4
.......... i............. i ........~ . ............
~.i
.......
............
...... ~~+
............ ~? .............
i....
i............ i.~~ j..........~ ~i.............
i............ i~............ i .............
~
j ............
.....................
4.6
~+~~
........
i........... j............ i.........................
........~~j~...........
4.7
;..........
I
!
+.......... ;.............
Capítulo 4
Pruebas de validación y análisis de resultados de la simulación
tiaiipo
13800
(4
Temperatura del vapor principal
62.3
622
621
362
61.9
300
400
500
tianPo (4
600
700
94
m.8 -
-
9
-
93.6 93.493.2-
$93
=
9 9285
61.1 -
926 924 922
61.6 -
92
............. i
i..
-.8
o
200
.Temperatura del vapor recalentado.
61.8
-1
100
100
200
i
............. +i
300
400
500
tianpa (=ill
Nivel del agua en el domo.
MW)
l
100
-.4
-.S
'o
-
I00
200
300
400
tiaiipo (E&
5C4
600
700
Nivel de agua en el desgasificador.
Figura 4.7 Tendencias de la Prueba 7: continuación.
99
Capítulo 5
Conclusiones
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES
En este trabajo se adaptó al ambiente gráfico el modelo de una unidad termoeléctrica (UT)
de 600 Mw. Se modularizó para que cada elemento de la UT pudiera ser simulado en forma
independiente, hacer configuraciones de sistemas de la misma o realizar la simulación de la unidad
completa. La implantación de los programas para simular la operación del proceso de la UT se
realizó en lenguaje C, en una plataforma para computadora personal a partir del modelo
matemático desarrollado por [usoro, 19771 y modificado en algunos parámetros en este trabajo.
Las conclusiones a las que se llegan al hakm este trabajo de tesis son las siguientes:
o
El comportamiento del modelo modularizado en este trabajo, reproduce fielmente el
comportamiento de una UT rea4 de acuerdo con comparaciones realvadas contra datos redes
disponibles en [usoro, 19771. Se considera que las variaciones en estos datos se deben a los
inevitables errores de redondeo en el manejo de datos en cualquier computadora, así como a las
aproximaciones y simplificaciones realizadas en el desarrollo del modelo matemático de la UT.
La complejidad del modelo matemático de una planta generadora de energía eléctrica,
consistente de un número grande de ecuaciones algebraicas y diferenciales acopladas, dificulta
el manejo del mismo debido a los recursos necesarios de almacenamiento de datos y tiempo
computacional.
La técnica usada en este trabajo para resolver dicho problema consiste en subdividir ese
modelo en módulos más manejables. Esta subdivisión no es un trabajo sencillo ya que no es
posible identificar todas las ecuaciones del modelo del módulo desde un principio. El criterio de
modularización aquí aplicado se basa en la identificación de subsistemas que formen una
función ñsica particular. De modo que cada módulo describe mediante un conjunto de
ecuaciones algebraicas acopladas a un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias, una
parte del modelo. Físicamente el módulo representa una sección de la planta, por ejemplo: el
domo, el sobrecalentador, la turbina de alta presión, etc.
De esta manera se obtiene una plataforma de desarrollo sobre la cual se puede simular: a)
cada módulo en forma independiente, b) un sistema de la planta; tal como agua de alimentación,
aire gases, etc. y, c) configurar distintas unidades termoeléctricas. En la parte del control de la
UT se pueden aplicar nuevas técnicas de control para; evaluar las ventajas y desventajas que
ofiecen dichos esquemas, independientemente de la conliguración de UT analizada. Otra
aplicación del simulador desarrollado en este trabajo puede ser en la capacitación de operadores
para la estandarkación de procedimientos de operación de la unidad termoeléctrica
configurada.
I O0
Capítulo 5
Conclusiones
El desarrollo del simulador en una computadora personal mediante un paquete de interfaces
gráficas permite utilizar librerías precompiladas @LL) programadas en un lenguaje de alto
nivel (Borland C*); con lo que se puede Uevar a cabo la modificación de parámetros tanto del
proceso como del sistema de control en línea (corriendo la simulación), doble precisión
numérica, capacidad para seleccionar entre varios algoritmos de integración, intercambio de
de la planta
datos entre paquetes de interfaces gráficas, posibilidad de presentar &cos
(estáticos) y gráñcos de alta calidad para la presentación de resultados, entre otros.
De las pruebas de validación de la simulación del modelo adaptado se comprobó el alta grado
de acoplamiento y no-linealidad del mismo, ya que de un punto de operación al otro (sobre
todo al aumentar la demanda de carga), las dinámicas del proceso varían notablemente, y la más
pequeña perturbación en una señal de estado se refleja en gran parte del sistema.
El modelo matemático de la UT, tiene un rango de operación del 40% al 100% de carga (240 a
600 Mw).Al operar el simulador entre el 96% y el 100% se entra en inestabilidad fácilmente
ello se debe además de lo que se dijo anteriormente, a la modificación de los parámetros de los
coeficientes de transferencia de calor de los gases de combustión a caldera lado gases.
Este trabajo de tesis contiene las siguientes aportaciones:
1. Un total de 22 programas de computo, desarrollados en lenguaje C, y 7 módulos de control,
implantados en lenguaje gráfico, con bloques del paquete de interfaces gráficas, simulan la
operación de una unidad termoeléctrica convencional de 600 Mw en un rango de operación del
40% al 100% de carga. Con estos programas es posible realizar pruebas de funcionamiento de
la UT bajo condiciones extremas de operación y observar la respuesta de la unidad, información
que es útil en la tarea de diseño de las mismas. En el apéndice D se presenta un breve manual
de usuario del simulador. Estos programas pueden solicitarse al cenidet.
2. Una plataforma de desarrollo sobre la cual se pueden configurar distintas unidades
termoeléctricas convencionales y aplicar nuevas técnicas de control para evaluar las ventajas y
desventajas que ofiecen dichos esquemas.
3. Resultados y simulaciones importantes que pueden servir como referencia para trabajos
relacionados con éste.
Como trabajos futuros se podrían considerar los siguientes:
1. Aplicación de esquemas modernos de control en el sistema de control de la UT, tales como
control adaptivo, control inteligente, control predictivo multivariable, etc.
2. Actualización del simulador a un paquete de interfaces gráficas más poderoso (ver sección
3.3.2 del capítulo 3), por ejemplo para hacer dinámicos los mímicos de la UT y más interactivo
con el usuario.
3. Obtener la identificación de las dinámicas del modelo, para caracterizarlo mediante las matrices
de transferencia a diferentes niveles de operación.
4. Desarrollo de esquemas multipaso/multimétodo para mayor eficiencia del cálculo del modelo.
101
Referencias
REFERENCIAS
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VisSim, “User’s Guide’’ Visual Solutions Inc., 1994.
104
Apéndice A
Nomenclatura de las variables
APÉNDICE A
NOMENCLATURA DE LAS VARIABLES
Debido a la gan cantidad de variables que se requieren para describir el modelo
matemático de la UT, es necesario definir un procedimiento para sistematizar los nombres para las
variables del sistema [Usoro, 19771. Los nombres de las variables que no se adecuan a dicha
sistematización se presentan en la sección E de este apéndice.
El código que describe a cada variable de la UT se basa en las siguientes convenciones:
1. El nombre de cada variable contiene seis o menos caracteres aifanuméricos, el primero de los
cuales es una letra.
2. El nombre de las variables puede o no incluir uno de los prefijos que se listan en la sección A de
la tabla A. 1.
3. El primer carácter que le sigue al prefijo (si este se utiliza) representa la cantidad primaria, tal
como se lista en la sección B de la tabla A. 1.
4. El par de letras que le siguen a la cantidad primaria (si es utilizada) identifican un componente
de la UT, los cuales se muestran en la sección C de la tabla A. 1.
5. En la sección D de tabla A.l se presentan los caracteres adicionales utilizados para representar
condiciones, materiales o procesos.
6 . Los caracteres numéricos se utilizan en los códigos para nombrar los parhetros (proceso o
control) y las variables intermedias (computacionales). Un carácter o cadena numérica al final
del nombre de la variable, se utiliza para indicar el orden multipücativo de la variable.
A continuación se presentan algunos ejemplos üustrativos de los nombres de las variables:
tsso
Temperatura a la salida del sobrecalentador secundario
wn
Flujo de combustible
bCP
Numero de bombas de extracción de condensado
kuwwms
Coeficiente de transferencia de calor del metal de las paredes de agua al vapor
twwqe4
Temperatura efectiva de los gases en las paredes de agua elevada a la cuarta
potencia
105
Apéndice A
Nomenclatura de las variables
Tabla A.l
Nomenclatura de las variables de la UT
Sección A. Prefijos
k
C
kc
ktc
2
-
=
=
=
Constante
Variable del sistema de control
Constante del sistema de control
Constante de tiempo del sistema de control
Variable intermedia (computacional)
Sección B. cantidad primaria
Área, posición de compuerta de un ventilador
Eficiencia
Factor de ficción, kacción
Factor de conversión de unidades
Entalpía., valor de calor
Momento de inercia
Longitud
MaSa
Potencia
Numero, velocidad angular, kecuencia
Presión
Razón de transferencia de calor
Densidad
Deslizamiento, entropía, calor especifico
Par, temperatura; factor de temperatura
Coeficiente de transferencia de calor, energía interna especifica
Volumen, voltaje
Razón de flujo
Inclinación de quemador, posición, longitud, nivel de agua
Eficiencia
Densidad
Función (por definir)
Ángulo de potencia (delta)
106
Apéndice A
Nomenclatura de las variables
Sección C. Componentes
ah
aP
ar
at
bP
cn
CP
cr
cv
cw
dc
de
dr
dv
ec
fd
fl
fn
fp
ft
fi
fw
gg
gn
gr
gv
hP
hh
id
iP
iv
Ih
1P
PS
rh
rp
rw
ry
sc
Calentador de aire
Precalentador de aire
Aire
Atmósfera
Impulsor de la bomba de agua de alimentación
Condensador
Bomba de extracción de condensado
Tubo de interconexión entre las turbinas de presión intermedia y de baja presión
Válvula de control de turbina
Agua condensada
Tubos bajantes
Desgasificador
Domo
Válvula de control del desgasificador
Economizador
Ventilador de tiro forzado (VTF)
Combustible
Hogar del generador de vapor
Bomba de agua de alimentación a caldera
Turbina de la bomba de agua de alimentación a caldera
Válvula de control del flujo de agua de alimentación
Agua de alimentación
Quemador
Generador
Gas de recirculación
Válvula de control de turbina
Turbina de alta presión
Calentador de alta presión del agua de alimentación
Ventilador de tiro inducido (VTi)
Turbina de presión intermedia
Válvula interceptora
Calentador de baja presión del agua de alimentación
Turbina de baja presión
Sobrecalentador primano
Recalentador
Bomba de recirculación
Agua de recirculación
Rocío al recalentador
Caja de vapor
107
Apéndice A
Nomenclaiura de las variables
Sección C. ComDonentes
Sobrecalentador
Sobrecalentador secundario
Chimenea
Rocío al sobrecalentador
Válvula de paro
Turbina
Válvula reguladora (estrangulamiento)
Compuerta del ventilador de tiro forzado
Compuerta del ventilador de tiro inducido
Pared de agua
Sección D, Condiciones
aire
(Blowdown)
Transferencia de calor por convección
Diferencia, pendiente, cambio
Efectivo, promedio
Eléctrico
Gas,quemador
Condición de entrada, proceso isentropic0
Isentropico
Dentro, entrada
limite bajo
Metal, motor
Máximo
Condición de salida
Fuera, salida
Por unidad
Radiación, Razón, cociente
Vapor, k e a de suministro, sello
Retorno de vapor
Límite superior
Válvula
Agua
Extracción
Condición de entrada
108
Apéndice A
Nomenclatura de las variables
Sección E. ExceDciones
idc
qyww
qylpo
ywgr
wg
=
=
=
2
Señal calculada de demanda de carga
Calidad del vapor que sale de las paredes de agua
Calidad del vapor que sale de turbina de baja presión
Razón entre el agua y el gas del flujo de gases
Velocidad del flujo de gases
109
Parámeiros de los módulos de la UT
Apéndice B
APÉNDICE B
PARÁMETROS DE LOS MÓDULOS DE LA UT
B.l
Introducción
Los programas de los módulos del proceso de la UT se elaboraron en lenguaje C y se
realizó el proceso de compilación y enlace (link) de los mismos en Borland C" V4.0. Mientras que
los módulos del sistema de control fueron elaborados como diagramas a bloques (lenguaje
gráfico).
A continuación se presentan los parámetros de los módulos del proceso de la UT y de los
lazos del sistema de control.
B.2
Parámetros de los módulos del proceso de la UT.
Módulodomo
Señales de entrada
110
Apéndice B
Nombre
hdnv
pdrs
rdrw
tdrs
vdrs
xdrw
Parámetros de los módulos de la UT
Entalpía del agua en el domo
Presión del vapor en el domo
Densidad del agua en el domo
Temperatura del vapor en el domo
Volumen del vapor en el domo
Nivel del agua en el domo
Descripción
E
Nombre
Descripción
Valor
144.0
Constante de conversión de unidades
Relación 1 de presión-flujo-velocidad de las bombas de -1.73366E-3
recirculación
Relación 2 de presión-flujo-velocidad de las bombas de 1.64728E-4
recirculación
Relación 3 de presión-flujo-velocidad de las bombas de 5.5798E-5
recirculación
Relación 4 de eficiencia-flujo-velocidad de las bombas -1.3391E-3
de recirculación
Relación 5 de eficiencia-fluio-velocidad
de las bombas I 3.45853E-4
de recirculación
Relación 6 de eficiencia-flujo-velocidad de las bombas 2.8937E-6
de recirculación
381.048E-6
Coeficiente de fiicción del agua en los tubos bajantes
I
Coeficiente de ficción del agua y del vapor en las I84.6537E-6
Daredes de aeua
I
1137.0
Longitud de los tubos bajantes
Flujo de vapor de sellos a las bombas de recirculación 14.3014
Unidades
Pie’ I puig’
lb,s2
Ib,pulg‘pie3
Ib,s’
Ib,pulgz
Ib,pie’
Ib,pulg2
S2
Pie”
S2
-
pie’
S‘
Ib,s2
lb,pulg2pie’
lb,s2
Ib,pulg’pie3
pie
Ib I seg
111
Apéndice B
Nombre
k144
kjrp
!arpm
Parámeiros de los módulos de la UT
Descripción
Constante de conversión de unidades
Inercia de las bombas de recirculación
Relación fiecuencia de línea-velocidad sincrona del
motor de las bombas de recirculación
Constante del par del motor de la bomba de
recirculación
Deslizamiento a par máximo del motor de la bomba de
recirculación
krpm
srpmax
Valor
144.0
576.1
2.0
476.146E-6
0.05
Unidades
pie’ I puig2
lb pie’
Sin
dimensiones
V2
Sin
dimensiones
Señal de salida
Nombre I
Descripción
mwrpl Potencia de entrada a las bombas de recirculación
I
112
Apéndice B
Parámetros de los m6dulos de la UT
Módulo paredes de agua lado agua-vapor
Nombre
hdrs
hdnv
lUp0
qwwgm
Descripción
Entalpía del vapor en el domo
Entalpía del agua en el domo
Entalpía a la salida de las bombas de recirculación
Calor transferido de los gases al metal en las paredes de
Módulo de procedencia
Domo .domo
Domo.domo
Flujorecrecir
Caldgas.cgas1
rdnv
tdrs
twwm
Densidad del agua en el domo
Temperatura del vapor en domo
Temperatura del metal de las paredes de agua
Flujo de recirculación
Domo.domo
Domo.domo
Paredag.pagua
Flujorec.recir
WTW
I kuwwmw
Descripción
Masa del metal de las paredes de agua
Calor especíñco del metal de las paredes de agua
Valor
1.063E6
0.11
Coeficiente de transferencia de calor gas al metal en las 173.5205
paredes de agua
2318.61
Volumen de las paredes de agua
Flujo de vapor de sellos a las bombas de recirculación 4.3014
Unidades]
Ib-'F
I
Descripción
Nombre
hwwo Entalpía a la salida de las paredes de agua
qyww Calidad del vapor a la salida de las paredes de agua
wwwo Flujo a la salida de las paredes de agua
113
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Módulo sobrecalentador lado vapor y etapa de atemperación del mismo
Nombre
kcv
Descripción
Coeficiente de flujo de las válvulas de control de turbina
Valor
12.74214
Unidades
kfps
1.88E-3
Ib,s'
Ib,pulg2pie'
Ib,s'
2 ' 1
k p d g pie
kmpsm
kmssm
kspsm
Coeficiente de fiicción del vapor en el sobrecalentador
primario
Coeficiente de fiicción del vapor en el sobrecalentador
secundario
Masa del metal del sobrecalentador primario
Masa del metal del sobrecalentador secundario
Calor específico del metal del sobrecalentador primario
ksssm
Calor específico del metal del sobrecalentador secundario 0.1 1
BtU
Constante volumétrica del sobrecalentador primario
2000
Constante volumétrica del sobrecalentador secundario
3000
Constante del flujo en las válvulas de admisión (throttle 506.7
pie3
pie3
Ib
-
kfss
kVpS
kvss
kwtv
vnlve?\
3.162E-4
3.5E5
8E5
0.1 1
Ib, 'piel 'pdg
s Ib,'
Ib,
lh
BtU
Ib_'F
Ib,'F
seg
114
Apéndice B
1 Temperatura del vapor de entrada al sobrecalentador secundario
tssl
tSSO
wdrs
wpse
wsse
wssx
~
WtV
Nombre
hsso
prho
rrho
rsco
ssso
WiV
WtV
Parámetros de los módulos de la UT
I Temperatura del vapor a la salida del sobrecalentador secundario
I Flujo de vapor del domo ai sobrecalentador primario
I Flujo promedio del vapor en el sobrecalentador primario
Flujo promedio del vapor en el sobrecalentador secundario
Flujo del vapor de extracción del sobrecalentador secundario
Flujo de vapor a través de las válvulas de admisión (throttle valve)
Descripción
Entalpía a la salida del sobrecalentador secundario
Presión del vapor a la salida del recalentador
Densidad a la salida del recalentador
Densidad a la salida de la caja de vapor
Entropía del vapor a la salida del sobrecalentador
secundario
Flujo de vapor a través de las válvulas interceptoras
Flujo de vapor a través de las válvulas de admisión (throttle
Módulo de procedencia
Sobrecal.sobre
Recalentxeca
Recalentxeca
Turbapre.tapre
Sobrecal.sobre
Tpiatbp.tpibp
Sobrecal.sobre
115
Apéndice B
Parhetros de los módulos de la UT
Descripción
Constante 1 de la primera extracción
Coeficiente de íiicción del vapor en el recalentador
Vaior
1.64384
45.90723E-6
Coeficiente del flujo de vapor de la turbina de alta presión 15.6
I kvsce
Coeficiente para conversión de unidades
778.17
Coeficiente del volumen efectivo en la caja de vapor
700.0
Unidades
seg
PUk2
lb,s2
Ib,pulg*ppie’
Ib, ’piel ’puli
slb,’
pielb,rad
BtU
pie3
__.._
~_.
. _
Módulo recalentador y sección de atemperación del mismo
Nombre
hfpo
Señales de entrada
Descripción
I Módulo de procedencia
IEntaipía a la salida de la bomba del agua de alimentación a B b a g h a g u a l m
1
I
116
Apéndice B
Nombre
kmrh
ksrhm
Parámetros de los módulos de la UT
Descripción
Masa del metal del recalentador
Calor específico del metal del recalentador
Valor
9.44ES
0.11
Unidades
bn
Ilbm'F
Btu
Señales de salida
Módulo turbina de presión intermedia, tubo de interconexión y turbina de baja presión
Señales de entrada
117
Parámetros de los módulos de la UT
Apéndice B
Nombre
eip
keip
kelp
I
kj
UP
kvcre
I
Descripción
Valor
Eficiencia de la turbina de presión intermedia
0.814
Factor de (eficiencia) extracción de la turbina de presión 0.93
intermedia
Factor de (eficiencia) extracción de la turbina de baja 0.93
presión
Coeficiente del flujo de vapor de la turbina de presión 51.78706
intermedia
I
Coeficiente para conversión de unidades
1778.17
Coeficiente del flujo de vapor de la turbina de baja 126.41
presión
Volumen efectivo del tubo de interconexión
1220
Unidades
Adimensionai
Adimensionai
Adimensional
Ib,Jpie"pulg
.
slb.'
I pielb,rad
I
~~
Btu
lb, 'pie"pu1g
slb,'
pie3
Señales de salida
118
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Módulo generador eléctrico
‘Nombre
kclgn
kjtre
kmwr
kmwx
Descripción
Constante 1 de control del generador eléctrico
Inercia del rotor del grupo turbina generador eléctrico
Potencia nominal
Constante de la potencia extraida
Nombre
mwgn Potencia del generador
mwo
Potencia eléctrica generada
mwtrpu Potencia unitaria de turbina
Valor
1.o
6.25E5
4.428ES
1.355E-6
Unidades
Adimensionl
Ib piez
Descripción
M6dulo condensador principal
Señales de entrada
119
Parámetros de los módulos de la UT
Apéndice B
Nombre
klcp
Ucp
Wcp
kllhx
Descripción
Valor
Relación 1 de presión-flujo-velocidad de las bombas de -1.64515E-2
extracción de condensado
Relación 2 de presión-flujo-velocidad de las bombas de 1.20115E-4
extracción de condensado
Relación 3 de presión-flujo-velocidad de las bombas de 1.57933E-4
extracción de condensado
I
Constante 1 de extracción de los calentadores de baja 125.60544
I presión
I
Ib.2
Ib$
lb,pulg’
Ibfpie3
Ibplg’
Ib
Sin
dimensiones
seg
lb
psia
Adimensionl
1 Ipsia
Ib;’pie’.Jpulg
s 1biJ
Ibfs2
Ib,pulg2pie3
Sill
dimensiones
Sehales de salida
120
Apéndice B
PaAneUos de los módulos de la UT
Módulo bombas de extracción de condensado
Nombre
k144
k4cp
k5cp
~
k6cp
kncpm
kcpm
kjcp
scpmax
Nombre
hcpo
mwcpl
tcpo
Descripción
Constante de conversión de unidades
Relación 4 de eficiencia-flujo-velocidad de las bombas de
extracción de condensado
Relación 5 de eficiencia-flujo-velocidad de las bombas de
extracción de condensado
Relación 6 de eficiencia-flujo-velocidad de las bombas de
extracción de condensado
Relación fiecuencia de linea-velocidad sincrona del motor
de las bombas de condensado
Constante del par del motor de la bomba de extracción de
condensado
Inercia de las bombas de extracción de condensado
Deslizamiento a par máximo del motor de la bomba de
extracción de condensado
Valor
144.0
-8.88465E-3
Unidades
PieZ/ puig’
9.2870E-4
sz
4.34174E-7
2.0
615.533E-6
468.0
0.05
s2
-
pie6
pie’
s2
Sin
dimensiones
e
V2
Ib pie’
Sin
dimensiones
Descripción
Entalpía a la salida de las bombas de extracción de condensado
Potencia de entrada a las bombas de extracción de condensado
Temperatura a la salida de las bombas de extracción de condensado
121
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Módulo calentadores de baja presión del agua de alimentación
Nombre
lhcpo
Ip3uis
Nombre
m
kihm
kmlhm
kqgc
ksibm
Descripción
Módulo de procedencia
Entalpía del vapor de entrada al calentador 1 de baja Tpiatbp.tpibp
presión del agua de alimentación
Entalpía del vapor de entrada ai calentador 2 de baja Tpiatbp.tpibp
presión del agua de alimentación
Entalpía a ’ l a salida de las bombas de extracción de Bbascond.bbac
condensado
Entalpía a la salida de los calentadores de baja presión
ICabpagal.calbp
Número de bombas de extracción de condensado en Entradaexterna
servicio
Presión del vapor en el calentador 1 de baja presión del Tpiatbplpibp
agua de alimentación
Presión del vapor en el calentador 2 de baja presión del Tpiatbp.tpibp
agua de alimentación
Presión del vapor en el calentador 3 de baja presión del Tpiatbplpibp
agua de alimentación
Presión a la salida de las bombas de extracción de Condensd.cond
condensado
Condensd.cond
Densidad a la salida del condensador principal
Flujo de vapor en el calentador 1 de baja presión del agua Tpiatbp.tpibp
de alimentación
Flujo de vapor en el calentador 2 de baja presión del agua Tpiatbp.tpibp
de alimentación
Flujo suministrado por las bombas de extracción de Condensd.cond
condensado
Condensd.cond
Flujo de condensado
Valor
Descripción
Coeficiente de kicción del agua en los calentadores de
baja presión del agua de alimentación
Constante de la temperatura en el metal de los i 7 r
calentadores de baja presión
Masa del metal de los calentadores de baja presión
Coeficiente de transferencia de calor por convección de
los gases
Calor específico del metal de los calentadores de baja O. 11
nrecirin
r.
..
1
.
-
kvih
I Constante volmétrica de los calentadores de baja presión 193.02
I
Unidades
-k-
Ib,pulg’pie3
BtU
-
Ib-’F
..<
I pie’
122
Apéndice B
Parheiros de los módulos de la UT
Señales de salida
Módulo desgasificador
Señales de entrada
123
Apéndice B
Nombre
hderp
Parámmos de los módulos de la UT
Descripción
Valor
Entalpía del desgasificador a las bombas de 295.60
recirculación
Unidades
Btu
11.
Señales de salida
Módulo turbina impulsora de la bomba del agua de alimentación a caldera
Nombre
afv
Módulo de procedencia
Descripción
Apertura de la válvula de control del flujo de agua de Control del flujo de agua
alimentación a caldera
alimentación a caldera
124
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la ü T
Nombre
Descripción
kibp
Relación 1 de presión-flujo-velocidad de la bomba
impulsora de la bomba del agua de alimentación
Relación 2 de presión-flujo-velocidad de la bomba
k2bp
impuisora de la bomba del agua de alimentación
Relación 3 de presión-flujo-velocidad de la bomba
Wbp
impuisora de la bomba del agua de alimentación
Relación 1 de presión-flujo-velocidad de la bomba del
klfp
agua de alimentación a caldera
Relación 2 de presión-flujo-velocidad de la bomba del
k2fp
agua de alimentación a caldera
I Relación 3 de presión-flujo-velocidad de la bomba del
k3fp
agua de alimenta&5n a caldera
kfec
Coeficiente de fiicción del agua en el economizador
Valor
-2.63447E-3
k&h
4.7469E-3
I
kfv
knbpr
kwfpx
Coeficiente de kicción del agua en los calentadores de alta
presión
Coeficiente de fiicción del flujo en la válvula de control del
agua de alimentación a caldera
Relación de velocidad entre las bombas impulsora y
principal del agua de alimentación
Coeficiente del flujo de extracción de la bomba del agua de
alimentación a caldera
200.721E-6
Ib,sz
99.9049E-6
1b,pdg2
Ib,pie’
lb,pulg2
-57.3012E-3
1b.s‘
959.4371E-6
Ib,sz
Ib,pulg2
203.8473E-6
Ib,pie’
Ib,pulg2
1b.s‘
Ib,pulg2pie’
Ib,s’
Ib,pulg’pie3
3.878121E-3
~I~
1.1721E-3
Ib, ’piel ’pulg
s lb;’
0.333333
Sin
19.6677
dimensiones
Ib
seg
Señales de salida
125
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Módulo bomba principal del agua de alimentación a caldera
Parárnetrna
Unidades
144.0
1059.0
dimensiones
Descripción
Nombre
Entalpía a la salida de la bomba del agua de alimentación a caldera
hfpo
Temperatura a la salida de la bomba del agua de alimentación a caldera
tfpo
126
Parámetros de los módulos de la UT
Apéndice B
Módulo calentadores de alta presión del agua de alimentación y economizador
Sefiales de entrada
de entrada al calentador 2 de alta presión del
pdrs
pfvo
phho
agua de alimentación
Presión del vapor en el domo
Domo.domo
Presión a la salida de la válvula de control del agua de alimentación F1ujagal.W
Presión a la salida de los calentadores de alta presión del agua de Flujagal.agual
Parámetros
Descripción
IValor
Constante de la tenmeratura en el metal de los I 1.05
calentadores de alta presión
7.21E5
Masa del metal del economizador
1.084E5
Masa del metal de los calentadores de alta presión
0.11
Calor específico del metal del economizador
Nombre
khhm
~
kmecm
kmhhm
ksecm
~~
Calor especííico del metal de los calentadores de alta O.11
nrpdiin
kvec
kvhh
kwfw
Coeficiente volmétrico del economizador
2 100.0
Coeficiente volumétrico de los Calentadores de alta 114.67
presión
Coeficiente del flujo del agua de alimentación a caldera 493.03
~
IUnidades
I sin
.
dimensiones
lm,
lb,
Btu
-
lb,’F
Btu
lb-’F
pie’
pie’
Ib I seg
Apéndice B
teco
thhe
tho
WhhS
Parhetros de los módulos de la UT
Temperatura a la salida del economizador
Temperatura promedio en los calentadores de alta presión del agua de alimentación
Temperatura a la salida de los calentadores de alta presión del agua de alimentación
Flujo de vapor en los calentadores de alta presión del agua de alimentación
Nombre
Descripción
k144
Constante de conversión de unidades
Relación 4 de eficiencia-flujo-velocidad de los VTF
k4fd
Valor
144.0
-2.1824lE-6
Unidades
Pie’ I pul2
S’
-
Ib,’
k5fd
Relación 5 de eficiencia-flujo-velocidad de los VTF
5.13044E-5
k6fd
kfdm
Relación 6 de eficiencia-flujo-velocidad de los VTF
Constante del par del motor del VTF
-6.96849E-5
4.1E-3
S2
-
Ib m
s’
pie Ib,
112
kjfd
knfdm
rahao
sfdmax
Inercia de los ventiladores de tiro forzado
Rel. frec. de línea-velocidad sincrona del motor del VTF
Densidad del aire a la salida del calentador de aire
Deslizamiento a par máximo del motor del VTF
18.19E4
6.0
0.0661
0.05
Ib pie’
Admensional
Ib/pie3
Adimensional
128
Apéndice B
0
Parámet~osde los m6dulos de la UT
Módulo flujo de aire y gases de salida (chimenea)
Señales de entrada
Nombre
klfd
Descripción
Relación 1 de presión-flujo-velocidad de los VTF
Valor
-7.41568E-7
k2fd
Relación 2 de presión-mijo-velocidad de los VTF
8.67456E-6
k3fd
Relación 3 de presión-flujo-velocidad de los VTF
1.67206E-4
klid
Relación 1 de presión-flujo-velocidad de los VTI
-1.38148E-6
k2id
Relación 2 de presión-flujo-velocidad de los VTI
1.12227E-5
k3id
Relación 3 de presión-flujo-velocidad de los VTI
1.09727E-4
kfah
kfst
Coeficiente de f?icción entre los gases y el calentador de
aire
Coeficiente de ficción entre el aire y los gases en el
precalentador de aire
Coeficiente de fiicción entre los gases y el precalentador
de aire
Coeficiente de ficción del flujo de los gases
(kfpsg + kfssg)
Coeficiente de ñicción de los gases en la chimenea
kpat
Presión atmosférica
khpa
khpg
kfg
Unidades
lb,s2
Ibipulg’
lb,s2
Ib,pulg2
lb,s’
-
PdP’
lb,s’
Ibhla‘
~
lb,s2
Ib,pulg’
Ib,s’
PUk’
1.82764E-7
3.968E-7
1.176409E-7
263.7944E-9
2.109E-7
14.7
lb,s2
Ib,’ pulg’
Ib,s’
lb,’ pulg’
Ibasz
pulg’
Ib,s‘
lb,’ pulg’
lb,s2
Ib,’ pulg’
lb
psia
129
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Módulo inclinación de quemadores
Señales de entrada
Nombre [
Descripción
ng
I Número de quemadores por elevación
wfl
I Flujo de combustible
I Posición de los quemadores
xgg
Constante atmosférica de la temperatura del aire
ktahad Constante del cambio de la temperatura del aire en el
calentador de aire
ktapad Constante del cambio de la temp. del aire en el prec de aire
h
e Longitud media del hogar del generador de vapor
ktat
I Módulo de procedencia
I Entrada externa
IControl de combustión
IControl de temp del reca
510.0
88.0
350.0
64.534
OR
OF
O F
pie
Apéndice B
Nombre
-tapao
ungg
uxgg
ward
Parámetros de los módulos de la UT
Descripción
Temperatura del aire a la salida del precalentador de aire
Coeficiente de transferencia de calor por el número de quemadores
Coeficiente de transferencia de calor por la posición de los quemadores
Flujo diferencial de aire
Módulo paredes de agua lado gases de combustión
\Nombre
Señales de entrada
131
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Nombre
klsh
Descripción
Calor específico 1 del flujo de gases en el hogar
Valor
0.31
k2sh
Calor específico 2 del flujo de gases en el hogar
0.145
kltgr
Coeficiente 1 de la temperatura de los gases de 929.69
recirculación
Coeficiente 2 de la temperatura de los gases de 2.15172
recirculación
Coeficiente de calentamiento del combustible
118200.0
k2tgr
khfl
Unidades
Btu
Ib, 'R
Btu
Ib, 'R
"R
R seg
-
..
Btu
-
132
Apéndice B
Nombre
qecr
qpsr
qrhr
qss
tece
tpse
Parámetros de los módulos de la UT
Descripción
Calor transferido al e c o n o d o r por radiación
Calor transferido al sobrecalentador primario por radiación
Calor transferido al recalentador por radiación
Calor transferido al sobrecalentador secundario por
radiación
Temperatura promedio del vapor en el economizador
Temperatura promedio del vapor en el sobrecalentador
Módulo de procedencia
Entrada externa
Caldgasl .cgasl
Entrada externa
Entrada externa
Calapeco.capeco
Sobrecal.sobre
133
Apéndice B
Nombre
Pardmetros de los m6dulos de la UT
Descripción
Valor
Coeficiente O del calor específico en la trayectoria de los 0.2484
gases de combustión
Coeficiente 1 del calor específico en la trayectoria de los 0.1428
gases de combustión
Factor específico de la temperatura del flujo de gases de 5.2272E-5
combustión
Calor específico del flujo de gases de combustión con 35E-6
respecto a la humedad
Coeficiente de transferencia de calor de los gases al metal del
economizador
Coeficiente de transferencia de calor del metal al agua en el
economizador
Coeficiente de transferencia de calor de los gases al metal del
sobrecalentador primario
Coeficiente de transferencia de calor del metal al vapor en el
sobrecalentador urimario
Coeficiente de transferencia de calor de los gases al metal del
recalentador
Coeficiente de transferencia de calor del metal al vapor en el
recalentador
Coeficiente de transferencia de calor de los gases al metal del
sobrecalentador secundario
Coeficiente de transferencia de calor del metal al vapor en el
sobrecalentador secundario
k
kurhgm
I
kussms
5.3
8.591464
2.80123
2.34465
8.0954
4.47939
5.95513
6.753101
Ib- 'R
I
Ib- "R
Ib, OR2
BtU
Ib, OR2
BtU
lbm6s4'R
BtU
lbm8s2'R
BtU
lbm6s''R
BtU
lb,*s2 'R
BtU
lbm6s4'R
BtU
lbm8s' 'R
BtU
lbm6s4'R
1
801
lb,'s2 'R
Señales de salida
134
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Módulo ventiladores de tiro inducido (VTI)
Señales de entrada
Nombre
Descripción
k144
Constante de conversión de unidades
k4id
Relación 4 de eficiencia-flujo-velocidad de los VTI
k5id
k6id
kidm
Relación 5 de eficiencia-flujo-velocidad de los VTI
Relación 6 de eficiencia-flujo-velocidad de los VTI
Constante del par del motor del VTi
Valor
144.0
-1.12212E-6
Unidades
Pie’ / puig2
1.74023E-5
S2
-
3.43528E-5
6.16E-3
188E3
Inercia de los ventiladores de tiro inducido
kjid
knidm Relación kecuencia de línea-velocidad sincrona del 4.0
motor del VTI
rapgo Densidad de los gases a la salida del precalentador de 0.044
aire
del motor del ventilador de 0.05
sidmax Deslizamiento a par &o
tiro inducido
Nombre
mwidl
S2
-
lbm2
Ibm
S2
pie Ib,
V2
Ib pie’
Adimensional
Ib/pie3
Adimensional
Señales de salida
I
Descripción
I Potencia de entrada a los ventiladores de tiro inducido
‘135
Apéndice B
B.3
Parámetros de los módulos de la UT
Parametros de los módulos del sistema de control de la UT.
A continuación se presenta la descripción de los parámetros de cada uno de los módulos de
control de la UT.
Parámetros del módulo del control maestro de caldera
136
Apéndice B
Parámeiros de los módulos de la UT
Parámetros del módulo del control de la presión en el hogar del generador de vapor
137
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Parámetros del módulo de control del flujo de agua de alimentación
138
Apéndice B
Nombre
kavl
kavu
kcl
kcu
kcldv
Descripción
Límite inferior del acondicionador de salida
Límite superior del acondicionador de salida
Límite inferior del acondicionador de entrada
Límite superior del acondicionador de entrada
Ganancia proporcional del controlador de nivel
Parámetros de los módulos de la UT
Valor
0.0
1 .o
1.0
5.0
10.0
Unidades
Adimensional
Adimensional
Volts
Volts
Adimensional
139
Apéndice B
Partímetros de los módulos de la UT
Parámetros del módulo de control de la temperatura del vapor en el recalentador
140
Apéndice B
Parámetros de los módulos de la UT
Parámetros del módulo de control de la temperatura del vapor en el sobrecalentador
-kc3sy
kc4sy
kcsyl
kcsyu
Ganancia del bias por la posición de los quemadores
Ganancia para calcular el flujo de atemperación al sobrecalent.
Límite inferior de la señal de control de atemperación al sobre
Límite superior de la señal de control de atemperación al sobre
-0.01
-1.0
-5.0
-1 .O
Adimensionai
Adimensionai
Admensional
Adimensional
Parámetros del módulo de control de turbina
141
Valores de los estados y las variable algebraicas de la UT
Apéndice C
APÉNDICE
c
VALORES DE LOS ESTADOS Y LAS VARIABLES
~ALGEBRAICAS DE LA UT
C.l
Estados de la planta
A continuación se presentan los valores de las variables de estado del procesos ai loo%,
77.5% y 50% de carga.
142
Apéndice C
Valores de los estados y las variables algebraicas de la UT
C.2 Estados del sistema de control
A continuación se presentan los valores de las variables de estado del sistema de control al
loo%, 77.5% y 50% de carga.
143
Apéndice C
Valores de los estados y las variables algebraicas de la UT
C.3 Variables algebraicas de la UT
A continuación se presentan los valores de las variables algebraicas de la UT ai loo%,
77.5% y 50% de carga.
144
Apéndice C
Valores de los estados y las variables algebraicas de la UT
145
Apéndice C
Valores de los estados y las variables algebraicas de la UT
146
Apéndice C
Valores de los estados y las variables algebraicas de la IIT
147
Apéndice D
Manual del usuario
APÉNDICE D
MANUAL DEL USUARIO
En este manual se presenta en forma breve la información necesaria para la utilización de
los programas desarroilados en este trabajo. Así como las instrucciones necesarias para modificar
los valores de los parámetros, tanto de los módulos de proceso como del sistema de control, y
para agregar yío eliminar módulos (elementos) para configurar otra unidad termoeléctrica.
A continuación se presentan los programas fuente de la planta en lenguaje C, los archivos
necesarios para ligar dichos programas en el proceso de compilación y el nombre que recibe cada
DLL ejecutable por el paquete de interfaces gráñcas ( VisSirn).
Archivos fuente en lenguaje C
D0mo.C
F1ujorec.C
Bbarecir.C
Paredag.C
S0brecal.C
Turbapre.C
RecalentC
TpiatbpC
Gene1éct.C
C0ndensd.C
Bbasc0nd.C
Cabpagal.C
Desgasif.C
F1ujagal.C
BbagualmC
Calapec0.C
Ventif0r.C
F1ujaire.C
InclquemC
Caldgas1.C
Caldgas2.C
Ventindu.C
Archivos para ligar
Domo.Def
Flujorec.Def
Bbarecir.Def
Paredag.Def
Sobrecal.Def
Turbapre.Def
Recalent.Def
Tpiatbp.Def
Geneléct.Def
Condensd.Def
Bbascond.Def
Cabpagal.Def
Desgasif.Def
Flujagal.Def
Bbagualm.Def
Calapeco.Def
Ventifor.Def
Flujaire.Def
1nclquem.Def
Caldgasl .Def
Caldgas2.Def
Ventindu.Def
DLL ejecutable por VaSSim
Domo.domo
Flujorec.recir
Bbareckbbare
Paredag.pagua
Sobrecal.sobre
Turbapre.tapre
Recalent.reca
Tpiatbp.tpibp
Geneléct.genel
Condensd.cond
Bbascond.bbac
Cabpagaldbp
DesgasXdesga
Flujagal.agua1
Bbagualm.agualm
Calapeco.capeco
Ventifor.vif
Flujaire.airgas
Inclquem.quemad
Caldgasl .cagasl
Caldgas2.cgas2
Ventindu.vti
Como se mencionó antes, el sistema de control se implantó utilizando bloques de la
biblioteca de VisSirn. Cada archivo ejecutable por VisSirn incluye todos los lazos de control que
forman el sistema con los valores de los estados de control adecuados para la prueba mencionada.
148
Apéndice D
Manual del usuario
En la tabla D. 1 se muestran los archivos ejecutables por el paquete de interfaces gráficas,
así como la descripción de cada uno de ellos.
Nombre
Domo.Vsm
Flujorec. Vsm
Bbarecir. Vsm
Paredag. Vsm
Sobrecal. Vsm
Turbapre. Vsm
Recalent. Vsm
Tpiatbp. Vsm
Geneléct. Vsm
Condensd. Vsm
Bbascond. Vsm
Cabpagal. Vsm
Desgasif. Vsm
Flujagal. Vsm
Bbagualm. Vsm
Calapeco. Vsm
Ventifor. Vsm
Flujaire. Vsm
Inclquem. Vsm
Caldgasl . Vsm
Caldgas2.Vsm
Ventindu. Vsm
Cntrcomb. Vsm
Cntrprhg. Vsm
Cntrflaa. Vsm
Cntrflcn. Vsm
Cntrtevs. Vsm
Cnirtevr. Vsm
Cntrturb. Vsm
Prbaltes.vsm
Prha2tes.vsm
Prba3tes.vsm
Prba4tes.vsm
Prba5tes.vsm
Prba6tes.vsm
Prba7tes.vsm
Descripción
Domo
Tubos bajantes y flujo de recirculación
Bombas de circulación controlada
Paredes de agua
Sobrecalentador
Turbina de alta presión
Recalentador
Turbina de presión intermedia a turbina de baja presión
Generador eléctrico
Condensador principal
Bombas de extracción de condensado
Calentadores de baja presión del agua de alimentación
Desgasificador
Turbina impulsora de la bomba del agua de alimentación a caldera
Bomba principal del agua de alimentación
Calentadores de alta presión del agua de alimentación y economizador
Ventiladores de tiro forzado (VTF)
Aire de entrada y gases de salida
Posición de los quemadores
Paredes de agua lado gases de combustión
Sobrecalentador, recalentador y economizador lado gases de combustión
Ventiladores de tiro inducido (VTI)
Control de combustión (controladores de presión del vapor principal y de los flujos
de aire. y combustible)
Control de la presión en el hogar del generador de vapor
Control del flujo de agua de alimentación al generador de vapor (controladores de:
turbina impulsora de la bba. de agua de alimentación, control del flujo de agua de
alimentación y control del nivel de agua en el domo del generador de vapor)
Control del flujo de condensado
Control de la temperatura del vapor en el sobrecalentador
Control de la temperatura del vapor en el recalentador (controladores de
recirculación de los gases de combustión y de la posición de los quemadores)
Control de la turbina (unidades de control de velocidad, de carga y de las válvulas
gobernadoras)
Cambio del 100% al 77.5% de carga con pendiente del 15%/ min. (90 Mw/min.)
Cambio del 77.5% al 50% de carga con pendiente del 15% / min. (90 Mwímlli.)
Cambio del 50% al 77.5% de carga con pendiente del 15% / min. (90 Mwímin.)
Cambio del 77.5% al 100% de carga con pendiente del 15% / min. (90 Mw/&.)
Caída del voltaje de línea por medio de un escalón del 30% al 77.5% de carga
Cambio de 60 a 56 Hz con una pendiente de 0.2 W s e g . al 77.5% de carga
Pérdida de un VTF y un VTI al 100% de carga.
Tabla D.l Archivos ejecutables por el paquete de interfaces grt%xs.
149
Apéndice D
Manual del usuario
Requerimientos Mínimos de Hardware y Somare
Equipo necesario:
Computadora personal 486 a 66 MHz. y superiores,
4 MI3 en RAM (minima).
Software:
MS-DOS 6.0 y superiores, Windows versión 3.0 o superiores,
VisSim versión 1.5 o superior.
Ejecución
Inicie una sesión con VisSim, presionando dos veces el botón izquierdo del mouse sobre el
En la ventana activa de VisSim seleccione File, posteriormente Open y teclee el nombre del
archivo ejecutable por VisSim (mostrados en la tabla Dl):
Ejemplo
.
“Prbaltes.vsm”
t
i
-_____.-
- .
h a .j
B.AA;
150
Apéndice D
Manual del usuario
Para modiíicar el rango de simulación, método para solucionar lazos algebraicos (ecuaciones
implícitas), paso y algoritmo de integración; en el menú principal de SIMULATE seleccione el
comando Simulation Setup. Para confirmar las modificaciones seleccione OK, en caso
contrario Cancel.
r Range Control
-Integration Algorithm
0 Run in Real Time
0 Auto Restart 0 FIelain Stetc
0 Adapthe Bulirsh-Stoer
0 Backward Euler [Stiffl
Implicit Solver
I
O Suppress Converge Warnings
I I
Max Truncation Error: 1s. ~. -.8..n.c :
I
Para iniciar la simulación, en el menú principal de SIMULATE seleccione el comando go.
Cambio de Parámetros
Como se mencionó anteriormente, es posible realizar cambios en los valores de los
parámetros (tanto de proceso como del sistema de control) corriendo la simulación. De esta
manera es posible configurar una UT diferente (mayor o menor capacidad de generación en Mw).
A continuación se muestra un ejemplo con el módulo de proceso: “paredes de agua lado gases de
combustión (caldgasl .cgasl)”.
Estando en la pantalla principal del simulador coloque el cursor del mouse sobre el mímico
representativo del sistema aire gases (VTF, VTI, chimenea, etc.) y, presione el botón derecho
para accesar al siguiente nivel en el que se presentan los siguientes bloques:
Caldera Lado
Ventilador de Tiro
Inducido y Forzado
151
Apéndice D
Manual del usuario
Coloque el cursor del mouse sobre el bloque: Caldera Lado Aire y Gases y presione el botón
derecho, a continuación se accesa ai siguiente nivel y se puede observar el módulo
caldgasl.cgas1 mostrado en la página 60 del capítulo 3.
Repitiendo la operación anterior sobre el módulo caldgasl.cgas1, se accesa a la mascarilla que
permite modificar los parámetros de dicho módulo tal como se muestra a continuación:
Change mldgasl.cgas1 parameters
k1 sín
k2sfn
k l tgr
7
k2tgr[2.151721
1
--
kMI 11
8200
I
I
kto I537
I
car
10.2521
I
Para confirmar los cambios realizados en los parámetros del módulo seleccione Ok, mientras
que para evitar la aceptación del cambio seleccione Cancel.
El proceso para regresar niveles de presentación (pantallas) en el simulador, consiste en colocar
el cursor del mouse fuera del área de influencia de cualquier bloque y presione el botón derecho
cuantas veces sea necesario para accesar al nivel deseado en la presentación del simulador.
Respuesta en el Tiempo de las Variables de la UT
El acceso a la respuesta del simulador se realiza de dos maneras:
1 Directamente en todas las salidas, de cada módulo de proceso y cada bloque correspondiente a
una variable de salida del sistema de control, se presentan los valores instantáneos.
2 Para accesar a las gráñcas de tendencia; en la pantalla principal del simulador, coloque el cursor
del mouse sobre el bloque que dice gráficas (se muestra enseguida) y, presione el botón
derecho para accesar a las gráficas correspondientes al proceso de la UT.
152
Apéndice D
Manual del usuario
Mientras que el acceso a las gráficas de tendencia de las variables del sistema de control, se
realiza colocando el cursor del mouse sobre el bloque:
I
Sistema de Control
I
Enseguida presione el botón derecho y repita la operación sobre el bloque:
De esta manera es posible observar el comportamiento de las variables más representativas
de la UT en gráficos de alta caiidad, además de que se puede seleccionar de acuerdo a las
necesidades del usuario la cantidad de señales a graficar, rangos de graíicación y resolución de los
mismos en línea (corriendo la simulación); sólo colocando el cursor del mouse sobre el bloque
donde se presenta la gráfica y presionando el botón derecho del mouse, de iguai forma se pueden
agregar bloques para graíicar otras señales de interés para el usuario.
Configuración de Diferentes Unidades Termoeléctricas
Como se dijo anteriormente (punto 2.2.1 del capítulo 2), los módulos en que se ha dividido
el modelo matemático de la UT representan fisicamente un elemento de la planta (tal como el
domo, el recalentador, etc.). De esta manera la configuración de diferentes UT’S implica eliminar
o agregar módulos ya sea de proceso y/o de control. Debido al alcance de este trabajo de tesis
sólo se prueba una conliguraci6n de UT. A continuación se propone un método para realizar una
configuración más de UT, utilizando como plataforma el simulador desarrollado en este trabajo.
Otra configuración muy común de UT es aquella que no incluye turbina impulsora de la
bomba del agua de alimentación al generador de vapor (módulo flujagal.agual), sino un sistema
variador de velocidad para controlar la velocidad de la bomba del agua de alimentación al
generador de vapor, el proceso de configuración de esta UT que se propone es el siguiente:
1 Considerando que el usuario cuenta con el modelo matemático del variador de velocidad, éste
podría tomar como ejemplo el o los módulos a sustituir (archivos: flujagalx y bbagualm.c
(programas fuente en lenguaje C), flujagal.def y bbagualm.def (programas necesarios para bgar
los programas fuente), flujagal.vsm y bbagualm.vsm (archivos ejecutables por VisSim)), y
awiliándose del esquema general de simulación, mostrado en el capitulo 3 punto 3.3.2,
elaborar el o los nuevos módulos.
A continuación se muestran los programas necesarios para generar los DLL’s que VisSim
ejecuta al realizar la simulación de los archivos flujagal.vsm y bbagualm.vsm o de toda la UT.
153
Apéndice D
Manual del usuario
Programa fuente “flujagal.c” en lenguaje C del módulo “flujagal.vsm”
I** Módulo Turbina Impulsora de la Bomba del Agua de Alimentación al Gen.de Vap. ***I
/***
Formulación del Código
***/
#include <windows.h>
#include “vsuser.h”
#include <stdio.h>
#include <math.h>
/************
Código en C que es la base para el DLL
******t*.t*t/
void PASCAL EXPORT agua1 (param,inSig, outsig)
double far inSig[],FAR outSig[],FAR param[];
{
float
afv,afv2,nbp,nbp2,nfp,nfp2,pbpo,pdes,pdrs,pfpo,pfv~pfvo,phhd,phho,\
rdew,reco,wfp,wfp2,wfwfw,wfw2,wry,wsy,kl
bp,k2bp,k3bp,kl fp,k2fp,k3fp,\
kfec,kfv,kfhh,knbpr,kwfpx,zI,Z2,~,z4,25,~6,z7,z8,z9,zl0,zl
I ,zl2,\
z13,z14,zl 5,z16,z17;
afv=inSig[O];
nfp=inSig[ I];
pdes=inSig[2];
pdrs=inSig[3];
reco=inSig[4];
rdew=inSig[5];
wry=inSig[6];
wsy=inSig[7];
,***
Entradas
***I
I***
Parámetros
***/
I
kl bp=param[O];
k2bp=param[l];
k3bp=param[2];
k l fp=param[3];
k2fp=param[4];
Wfp=param[S];
kfec=param[6];
kfbh=param[7];
kfv=param[8];
knbpr=param[9];
kwfpx=param[ 1O];
154
Apéndice D
Manual del usuario
/**
Salidas del Módulo
**/
nbp=knbpr*nfp;
nbpZ=nbp*nbp;
nfp2=nfptnfp;
afv2=afv*afv,
zl=kwfpx+wry+wsy;
z2=kfv/(afvZ*rdew);
z3=Wrdew;
z4=kfec/reco;
z5=klfp/rdew;
zá=klbp/rdew;
z7=k2fp*nfp;
zS=k2bp*nbp;
z9=Hfp*nfpZ*rdew;
z l O=k3bp*nbp2*rdew;
z l i=d+z3+24;
212=25+26;
z13=z7+28;
zl4=~9+zlO+pdes-pdrs;
215=211-212;
z16=2*~11*21+213;
z17=z14-z1 I*zl*zl;
wfp=(z16+~qrt(~16*z16+4*z15*z17))/(2'215);
wfw=wfp-z 1;
WfPZ=WfP*WfP;
wfw2=wfw*wfw,
pbpo=pdes+z6*wfpZ+z8*wfp+zlO;
pfpo=pbpo+z5*WfP2+~7*wfp+~9;
pfvO==fpM2*wfw2;
phho-l>fvO-z3*wfw2;
pfvd=pfpo-pfvo;
phhd=pfpo-phho;
I***
Salidas
***I
outSig[O]=pfpo;
outSig[ l]=pfid;
outSig[2]=pfio;
outSig[3]=phhd;
outSig[4]=phho;
outSig[5]=wfp;
outSig[6]=wfw;
155
Apéndice D
Manual del usuario
I**
Ecuación de Estado
**/
/* Ninguna */
/***
Variable de Estado
***I
/* Ninguna */
I************
Definición del numero de parám.&os
***********I
long FAR PASCAL EXPORT aguaPA@Count)
short FAR *pCount;
{
*pCount=1 1;
1
I* número de parámetros *I
return((*pCount)*sizeof(double));
/***************
Valor Inicial de los parám.&os
*************I
void FAR PASCAL EXPORT aguaiPI(D0üBLE *param)
I
1
param[0]=-2.63447E-3;
param[ 1]=200.721E-6;
param[2]=99.9049E-6;
param[3]=-57.30 12E-3;
param[4]=959.4371E-6;
param[5]=203.8473E-6;
param[6]=3.878 121E-3;
param[7]=4.7469E-3;
param[S]= 1.1721E-3;
param[9]=0.333333;
param[ 10]=19.6677;
I********* Insírucción Necesaria para Cambiar los Parámeiros *********I
#pragma argsused
char FAR* PASCAL EXPORT agualPC (DOUBLE *param)
{
}
return "kl bp;k2bp;k3bp;kl fp;kzfp;Wfp;kfec;kthb;kfv;knbpr;kwfpx";
156
Apéndice D
I*********
Manual del usuario
Instrucciones Necesarias para Crear el DLL
********/
# p r a m argsused
int DLLInst;
int FAR PASCAL EXPORT LibMain(hInstance,wDataSeg,cbHeapSize,lpszCmdLine)
HINSTANCE hinstance; WORD wDataSeg, cbHeapSize; LPSTR IpszCmdLine;
{
1
DLLInst =hinstance;
return TRUE;
#pragma argsused
int F A R PASCAL EXPORT WEP (param)
{
retuni 1;
1
Programa “flujagal.def“ necesario para ligar el programa fuente uflujagal.c”
y generar el DLL “flujagaLagual”
I*********
Programa Flujagal.def
********/
LIBRARY flujagal
DESCRIPTION ‘VisSim DLL’
EXETYPE WINDOWS
CODE PRELOAD MOVABLE DISCARDABLE
DATA PRELOAD MOVABLE SINGLE
HEAPSIZE 4096
EXPORTS
WEP
agua1
agualPA
agualPI
agualPC
LibMain
@2 RESIDENTNAME
@3
@4
@5
@6
@7
157
Manual del usuario
Apéndice D
Programa fuente “bbagualm.cn en lenguaje C del módulo “bbagualm.vsm”
I***
Módulo Bomba Principal del Agua de Alimentación al Generador de Vapor ***I
Formulación del Código
/***
**e/
#include <windows.b
#include “vsuser.h”
#include <stdio.h>
#include <math.h>
I************
Código en C que es la base para el DLL
************/
void PASCAL EXPORT agualm ( p a r q i n s i g , outSig)
double far inSig[],FAR outSig[],FAR param[];
{
float
d-nfp,hcro,hfpo,hftl,hfto,hsso,mwfpl,nfp,efp,efl,pdes,pfpo,rdew,\
tfpo,tf$,wfp,wssx,~,k4fp,k5fp,k6fp,kj,kjfpe,kl44;
/***
Entradas
***/
/***
Parámetros
***/
hcro=inSig[O];
hsso=inSig[ 11;
nfp=inSig[2];
pdes=inSig[3];
pfpO=inSig[4];
rdew=inSig[5];
wft=inSig[6];
wfp=inSig[7];
wssx=inSig[8];
kl44=param[O];
hh==aram[ 11;
k4fp=param[2];
k5fp=param[3];
k6fp=param[4];
kj=param[5];
kjfpe-~aram[61;
efl=param[7];
158
Apéndice D
Manual del usuario
Salidas del Módulo
I**
**I
efp=k4fp*wfp*wfpl(rdew*rdew)+k5fp*nfp*wfplrdew+k6fp*nfp*nfp;
hfpo=9024.90+0.11479*pfpo-90.346*rdew-2.0528E5/rdew-1.8098E-3*pfpo*rdew;
tfpo=-l268.8+82.7 14*rdew+0.10301*pfpo-l.4744E-3*pfpo*rdew-0.97073*pow(rdew,2)\
-1.80 1E-6*~0w@fp0,2)+459.67;
I*
Cálculo del Par de la Turbina Impulsora de la Bomba Principal del agua de Alimentación
if(WSSX>O)
else
*I
hi?l=hsso;
hftl=hcro;
mwfpi=wft*(hfti-hfto)*eft*kj;
tfpl=mwfpl/nfp;
/e**
outsig[o]=hfpo;
outSig[l]=tfpo;
***/
Salidas
I** Ecuación de Estado
**I
d_nfp=(tfpl-wfp*k144*@fp~pdes)/(efp*rdew*nfp))/kjfpe;
/tt*
Variable de Estado
***I
outSig[Z]=d-nfp;
I
I************ Definición del número de parámetros
***********l
long FAR PASCAL EXPORT agualmPA(pCount)
short FAR *pCount;
{
I* número de parámeiros *I
*pCount=8;
return((*pCount)*sizeof(double)) ;
159
Apéndice D
Manual del usuario
void FAR PASCAL EXPORT agualmPI(D0UBLE *param)
{
param[0]=144;
param[ 1]=1059;
param[2]=- 1.73576 1E-3 ;
param[3]=129.3779E-6;
param[4]=548.9264E-9;
param[5]=778.17;
param[6]=2 161.7;
param[7]=1.O;
I********* Instrucción Necesaria para Cambiar los Parámetros
*********/
#pragma argsused
char FAR* PASCAL EXPORT agualmPC (DOUBLE *param)
{
1
return "kl44;hfio;k4fp;k5fp;k6fp;kj;kjfpe
en 1b*ftA2\;eft";
/*********Instrucciones Necesarias para Crear el DLL********/
#pragma argsused
int DLLInst;
int FAR PASCAL EXPORT LibMain@nstance,wDataSeg,cbHeapSize,lpszCmdLhe)
HINSTANCE hinstance; WORD wDaiaSeg, cbHeapSize; LPSTR IpszCmdLine;
{
DLLInst =hinstance;
return TRUE;
I
#pragma argsused
int FAR PASCAL EXPORT WEP (param)
{
I
retuni 1;
160
Apéndice D
Manual del usuario
Programa “bbagualm.def’ necesario para ligar el programa fuente “bbagualm.c”
y generar el DLL “bbagualm.agualm”
LIBRARY bbagualm
DESCRIPTION ‘VisSim DLL’
EXETYPE WINDOWS
CODE PRELOAD MOVABLE DISCARDABLE
DATA PRELOAD MOVABLE SINGLE
HEAPSIZE 4096
EXPORTS
WEP
agualm
agualmPA
agualmPI
agualmPC
LibMain
@2 RESIDENTNAME
@3
@4
@5
@6
@I
1 Después de obtener el o los nuevos programas fuente (extensión .c) y los necesarios para
ligarlos (extensión .deI), se pueden generar el o los DLL’s correspondientes; para ello se
requiere de un compdador: Microsoft C o Borland C*. El proceso para obtener un DLL
ejecutable por VisSirn utilizando un compilador Borland C* [Borland C*, 19931 es el
siguiente:
a) En la ventana principal de Borland C” abra el submenu Project y seleccione New project
161
Apéndice D
Manual del usuario
b) A continuación indique la ruta donde desee colocar el DLL que se obtendrk además de las
características del mismo, que deben ser las que se muestran en la siguiente figura.
c) En la ventana principal de Borland C" abra el submenu Options, seleccione Project options e
indique la ruta de los archivos fuente y de salida.
"162
Apéndice D
Manual del usuario
d) En la ventana principal de Borland C" abra el submenu Project, seleccione Build all y espere a
que el compilador concluya la elaboración del archivo ejecutable por VisSim (.dil), sin errores,
con lo cual se tienen las herramientas necesarias para la realización en diagrama de bloques del
simulador de la etapa de la UT que se haya modelado.
3 Finalmente se pueden copiar, renombrar y editar [VisSim, 19941 el o los módulos flujagal.vsm y
bbagualm.vsm (mostrados en el capítulo 3, punto 3.4 en página 58), para obtener el o los
nuevos módulos y tener así una nueva configuración de UT a partir de la plataforma
desarrollada en este trabajo de tesis.
Proceso para agregar o eliminar módulos
Para que VisSim reconozca y sea capaz de simular un módulo a partir de un DLL
compilado en Borland C* porland C", 19931, y en caso de que el compilador no se encuentre
instalado en la computadora personal utilizada, es necesario cargar el archivo bc40rtl.dU en el
subdirectorio de VisSirn en que se esté trabajando.
163
.
-
Apéndice D
Manual del usuario
El proceso para eliminar y agregar módulos ai simulador consiste en:
1 Para eliminar módulos, accese al nivel del simulador en que se encuentre el módulo que desee
eliminar (ejemplo flujagal.agual), presione y mantenga el botón izquierdo del mouse cubriendo
toda el área que incluya los bloques que desee eliminar, en el submenu Edit seleccione Cut y se
habrá completado la operación.
2 Para agregar módulos, estando en el nivel deseado del simulador, en el submenu Blocks
seleccione UserFunction y coloque el cursor del mouse sobre el bloque UserFuncrion y
presione el botón derecho, a continuación introduzca el nombre del DLL (ejemplo flujagal) y el
nombre de la función base (agual), tal como se muestra a continuación.
Ai terminar seleccione Ok y el DLL ha sido reconocido por VisSim.
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