Una aplicación de control de nivel de domo de una... Resumen

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, Compañía
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 sobre calentador 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 reducen 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 clásica, 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.
Figura 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 pre alimentación
(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: 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 pre alimentada de vapor o bien por
variaciones de la presión o caudal de agua.
Debe notarse que esta estrategia está 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 periódicamente 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 efecto 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 caída 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 difusas fue 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.
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 parámetros 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 dramáticamente, 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.