Una aplicación de control de nivel de domo de

Integrando Lógica Difusa en un sistema TPS
Una aplicación de control de nivel de domo de una caldera
por Roberto Razzeto (Honeywell Chile)
y Luciano Dell’ Orfano (Real Time Service S.A. Argentina)
Resumen
Este artículo intenta documentar la mejora en
control de procesos lograda en Fundición
Chagres, Compañia Minera Disputada de las
Condes, en Catemu, Chile. Se implementó una
estrategia de control utilizando técnicas de lógica
difusa en un sistema TPS para superar un
problema en particular relacionado con las
consecuencias que tiene el apagado del
quemador en el control de nivel de domo
existente de la caldera
Fundamentos
El control de nivel de domo de una caldera es
crítico tanto para la protección de la planta como
para la seguridad de equipos, y se aplica de la
misma manera a los niveles altos o bajos dentro
del domo. El domo aloja el agua que alimenta el
sector de evaporación del generador de vapor.
Es la última etapa de calentamiento en la que el
agua está en contacto con el vapor producido, y
eleva su temperatura hasta alcanzar la saturación.
En el domo también se produce la separación
mecánica del vapor y el agua para enviar
solamente vapor saturado al sobrecalentador o
directamente al proceso.
El propósito del controlador de nivel de domo es
llevar al domo a su nivel de operación en el
arranque de la caldera, y mantener el nivel a una
carga de vapor constante. Una disminución
dramática en este nivel puede vaciar los tubos de
la caldera, dañándolos o sobrecalentándolos. Un
aumento en este nivel puede interferir con el
proceso de separación de condensados de vapor
dentro del domo, y reducir así la eficiencia de la
caldera con el peligro de que agua en estado
líquido sea introducida en el proceso o en la
turbina. Existen además dos efectos que ocurren
durante la operación de la caldera que deben ser
evitados. Estos efectos son conocidos como
hundimiento e hinchamiento. Cuando la presión
del domo cae, las burbujas dentro de los tubos
aumentan su tamaño, incrementando el volumen
de agua, y entonces el nivel parece hincharse.
Esto ocurre durante un aumento en la demanda
de vapor. Si la demanda de vapor disminuye, la
presión dentro del domo aumenta y las burbujas
reeducen su tamaño y colapsan. Este efecto
provoca un decrecimiento en el nivel de agua del
domo (el nivel parece hundirse) y puede
producirse un efecto mayor si el caudal de agua
aumenta demasiado.
Para superar estos problemas basándose en la
teoría de control cásica, existe una estrategia
ampliamente usada en control de nivel de domos
llamada “control de nivel de domo con tres
elementos”. La estrategia se basa en la medida
de caudal de vapor, la medida de caudal de agua
de alimentación y la medición del nivel de agua
del domo. La Figura 1 muestra el controlador.
Figure 1 – El control de nivel de tres elementos
clásico
La cuestión principal de esta estrategia es
mantener el balance de masa entre el agua que
ingresa y el vapor que egresa del domo, y al
mismo tiempo mantener el nivel de agua cercano
a un setpoint especificado. Para lograr este
objetivo se utiliza una estrategia en cascada
combinada con una compensación en
prealimentación (feedforward).El bloque de
control primario (PFF: Proporcional + Feed
Forward) compara el nivel verdadero con el nivel
de SP y genera una señal de error que es
multiplicada por un factor y luego sumada al
caudal de vapor. Esta señal representa el caudal
de agua que el domo necesita para alcanzar el
nivel de setpoint en unos momentos, por lo que
es el setpoint del bloque secundario (PI:
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Proporcional + Integral). Luego, el bloque
secundario abre y cierra la válvula de agua de
alimentación para seguir a dicho setpoint,
comparando el setpoint de caudal de agua con el
caudal de agua real y aplicando un algoritmo
proporcional e integral. En condiciones ideales,
sin pérdidas o fugas de agua o vapor, en cuanto
el nivel alcanza su setpoint, el error en el primer
controlador es nulo, de modo que el setpoint del
segundo controlador es igual al caudal de vapor.
De esta manera, en estado estacionario el caudal
de agua es igual al vapor de salida, y el nivel es
el correcto. Si el nivel es mayor que el setpoint
entonces la salida del PFF será mayor que el
caudal de vapor, y viceversa. Durante la
operación normal, el controlador primario (el
elemento de nivel y el elemento de caudal de
vapor) corrige los disturbios no medidos en el
sistema, como por ejemplo purgas o fugas. El
controlador secundario (el elemento de caudal de
agua) responde rápidamente a variaciones en la
demanda de agua de alimentación, ya sea desde
la señal prealimentada de vapor o bien por
variaciones de la presión o caudal de agua.
Debe notarse que esta estrategia esta diseñada
para trabajar en condiciones normales de
operación de la caldera (es decir, cuando el
quemador está encendido, la presión del domo es
estable y existe una demanda de vapor real). En
el caso de que ocurra una situación anormal, por
ejemplo que se apague el quemador, esta
estrategia no funcionará tal como se espera.
El problema y su solución
En la Fundición Chagres, la estrategia descripta
había sido implementada en su sistema TPS, y
no mostraba problemas en particular durante la
operación normal. Sin embargo, debido a
restricciones de operación, el quemador debe ser
apagado periodicamente de manera manual, una
o más veces al día, para tareas de limpieza y
mantenimiento. Este evento introduce un
disturbio muy fuerte en todo el sistema de la
caldera. La transferencia de calor hacia el agua
hirviendo se interrumpe abruptamente, y
entonces el proceso termodinámico debe
evolucionar a un nuevo estado estacionario, en el
cual el agua líquida y el vapor no están más
mezclados y no existe suficiente energía
disponible para producir más vapor a partir del
agua. El effecto observable en la caldera es que
la presión del domo disminuye junto con el nivel
y el caudal de vapor provisto por la caldera. La
estrategia de control de tres elementos no es
adecuada a esta situación, puesto que predice que
si el flujo de vapor baja, el nivel del domo subirá
y la acción de control debería ser cerrar la
válvula de ingreso de agua. Sin embargo, la
caida del vapor de salida no debe ser considerada
como una reducción de demanda en este caso,
sino como un efecto de la parada del quemador.
Aún más, cerrar la válvula de ingreso de agua (lo
cual es exactamente lo que hace el control de tres
elementos) en esta condición lleva a una
situación potencialmente peligrosa, porque el
nivel de agua también está decreciendo y la
caldera podría secarse.
Por ello, un sistema de control más inteligente
debería contar con la habilidad de reconocer esta
condición particular (la parada del quemador) y
realizar una acción de control adecuada para
mantener el nivel de agua dentro de un rango
seguro de operación; a la vez, debe realizar la
misma compensación por caudal de vapor en
condiciones normales de operación. Debido a sus
capacidades intrínsecas para identificar estados
de proceso a partir del comportamiento de sus
variables y estados medidos, se utilizó un
enfoque de lógica difusa para desarrollar la
solución a este problema. El concepto del
controlador difuso se muestra en la figura 2.
Figura 2 – Diagrama en bloques de un
controlador difuso
El proceso involucrado (el estado real del
quemador, el nivel de agua, el caudal de vapor y
el caudal de agua de entrada) fueron fuzzificados,
es decir, clasificados en estados difusos que
representan situaciones de sentido común como
“demasiado vapor saliendo de la caldera”, “nivel
casi normal”, o “caudal de alimentación muy
pequeño”. Un conjunto de reglas difusasfue
desarrollado para definir la acción de control
apropiada para cada situación, teniendo especial
atención a aquellas condiciones relacionadas con
la parada del quemador. El algoritmo usual de
Mamdani para control continuo fue utilizado.
Para obtener un valor analógico de la salida
difusa, se implementó una defuzzificación de la
salida output, la cual en este caso era el caudal de
agua deseado. Para esto se utilizó un algoritmo
de centro de máximo (COM). Así, el controlador
difuso estaba listo para ser el primario del lazo
en cascada de la estrategia de control de nivel.
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Figura 3 – El nuevo controlador de nivel con
lógica difusa
La implementación del controlador difuso fue
realizada en un algoritmo de control escrito en
CL, el lenguaje de programación del TPS, y
enlazado a un punto de datos del Application
Module (AM). Los parametros necesarios para
sintonizar el controlador difuso fueron
implementados mediante parámetros Custom,
para proporcionar un acceso directo a los mismos
desde la pantalla de detalle del punto, a todos
aquellos ingenieros responsables de la sintonía
del lazo de control.
Como se muestra en la Figura 3, el nuevo
controlador se utiliza en lugar del controlador
primario de tres elementos. Las señales de
entrada al nuevo controlador son el nivel de agua
y el caudal de vapor. En condiciones normales de
operación, con el quemador encendido, el
controlador difuso sigue al flujo de vapor para
compensar y anticipar futuros cambios en la
demanda que puedan afectar al nivel de la
caldera. Cuando el quemador es apagado y el
vapor cae abruptamente, el controlador difuso
mantiene el flujo de agua. Por ello, el nivel del
domo no decrece dramaticamente, puesto que la
válvula de alimentación de agua no se cierra
inmediatamente. Cuando ya no hay más vapor
generado en la caldera, lo cual indica que se ha
llegado a un nuevo equilibrio termodinámico, el
controlador difuso disminuye el caudal de agua a
la misma velocidad que el aumento del nivel de
agua. Esto asegura que un nuevo estado
estacionario será alcanzado y se mantendrá el
nivel de agua en un valor deseado, fijo, mientras
el quemador está apagado.
Conclusiones
Un controlador difuso para la resolución de
problemas operativos fue desarrollado para la
estrategia de control de nivel de domo de una
caldera ejecutándose en un TPS de Honeywell.
El nuevo controlador fue implementado por un
algoritmo en CL y asociado a un punto en el
AM.
Todos los ingenieros de Chagres, Honeywell y
Real Time Service S.A. involucrados en este
proyecto, quedaron altamente satisfechos con la
forma de resolver el problema y el tiempo de
desarrollo de la solución.
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