capitulo ii marco teÓrico teorica

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8 CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2. FUNDAMENTACION TEORICA La fundamentación teórica de este proyecto de investigación esta organizado en función de las siguientes variables: Sistemas de Control. Caldera. Turbina, y una breve reseña Histórica de la Central Termoeléctrica Planta "Ramón Laguna". 2.1 Sistema de Control. Un sistema de control es una interconexión de componentes que forman una configuración del sistema que proporcionara la respuesta deseada. La base para el análisis de un sistema es el fundamento proporcionado por la teoría de los sistemas lineales, la cual supone una relación causa - efecto para los componentes de un sistema. La relación entrada - salida representa la relación de causa y efecto del proceso que

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Page 1: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

8

CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

2. FUNDAMENTACION TEORICA

La fundamentación teórica de este proyecto de investigación esta

organizado en función de las siguientes variables:

Sistemas de Control.

Caldera.

Turbina, y una breve reseña Histórica de la Central Termoeléctrica Planta

"Ramón Laguna".

2.1 Sistema de Control.

Un sistema de control es una interconexión de componentes que

forman una configuración del sistema que proporcionara la respuesta

deseada. La base para el análisis de un sistema es el fundamento

proporcionado por la teoría de los sistemas lineales, la cual supone una

relación causa - efecto para los componentes de un sistema. La relación

entrada - salida representa la relación de causa y efecto del proceso que

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representa el procesamiento de la señal de entrada para proporcionar una

variable de la señal de salida, frecuentemente con una amplificación de

potencia.

Afirma Hostetter, G. (1990, p. 22) que, "Un sistema de

regulación automático en el que la salida es una variable como

temperatura, presión, flujo, nivel de liquido, etc. Se llama sistema de

control de proceso". El control de proceso tiene amplia aplicación en la

industria. Los diferentes sistemas de control constituyen la base

fundamental de la practica de la ingeniería y son utilizados no solo a

nivel industrial sino también a nivel doméstico. Ellos se fabrican para

satisfacer las diferentes demandas industriales, y son diseñados como

productos estándares, su producción empezó a partir de los mil

novecientos.

Los diferentes tipos de control existentes son fijados para

propósitos específicos en cualquier sistema industrial. Ellos han sufrido

muchos cambios en su tecnología, desde los neumáticos hasta los

eléctricos. Un sistema de control puede ser operado por electricidad, de

forma mecánica, por presión, o combinación de ellos. Cuando en un

circuito se involucra un computador, usualmente es más conveniente

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operar todo el sistema eléctricamente, a pesar de que pueden existir

mezclas internas con respecto a la operación del mismo.

Características Principales.

Entre las principales características de un sistema de control se

pueden mencionar: la estabilidad, controlabilidad, observabilidad y

tiempo de repuesta, en ese mismo orden se tienen:

Estabilidad.

La respuesta transitoria de un sistema de control con

retroalimentación es de interés primordial y debe ser investigada. Una

característica muy importante del funcionamiento transitorio de un

sistema es su estabilidad. Un sistema estable se define como aquel que

tiene una respuesta limitada. El sistema es estable si estando sujeto a una

entrada o perturbación limitada, su repuesta es de magnitud limitada. La

estabilidad de un sistema dinámico se define en forma semejante.

La respuesta a un desplazamiento, o condición inicial, dará como

resultado una respuesta decreciente, neutral o creciente. Específicamente,

por la definición de estabilidad se deduce que un sistema lineal es estable

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solamente si el valor absoluto de una respuesta a un impulso, g (t),

integrada sobre un intervalo finito, es finito. La localización de los polos

de un sistema en el plano (s) indica la respuesta transitoria resultante. Los

polos en la parte izquierda del plano (s) dan como resultado una

respuesta decreciente para entradas de perturbación. En forma semejante,

los polos en el eje 0w) y en el plano de la derecha dan como resultado

una respuesta neutral y una creciente, respectivamente, para una entrada

de perturbación. Los polos de los sistemas dinámicos deseables deben

caer en la parte izquierda del plano (s). Como se muestra a continuación

en la Figura No 1.

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En términos de sistemas lineales, reconocemos que el requisito de

estabilidad puede definirse en función de la localización de los polos de

la función de transferencia de circuito cerrado. Evidentemente, con el

objeto de obtener una respuesta limitada, los polos del sistema de circuito

cerrado deben estar en la parte izquierda del plano (s). Por esto, una

condición necesaria y suficiente para que un sistema de retroalimentación

sea estable es que todos los polos de la función de transferencia del

sistema tengan partes reales negativas.

Controlabilidad.

Un sistema es controlable en tiempo (to), si por medio de un

vector de control no restringido, es posible transferir el sistema desde

cualquier estado inicial x(to), a cualquier otro estado en tiempo finito.

El concepto de controlabilidad fué introducido por Kalman (1956, p34).

Estos juegan un papel importante en el diseño de un sistema de control en

el espacio de estado. De hecho, las condiciones de controlabilidad,

pueden gobernar la existencia de una solución completa, en el problema

de diseño de sistemas de control. La solución a este problema no puede

existir si el sistema considerado no es controlable. Aunque la mayoría de

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los problemas físicos son controlables y observables, los modelos

matemáticos correspondientes pueden no tener la propiedad de

controlabilidad y observabilidad. Entonces se requiere conocer las

condiciones bajo las cuales un sistema es controlable y observable.

Considere el sistema en tiempo continuo de:

x = Ax + Bu (01)

donde:

x = vector de estado (vector n-dimencional)

u = señal de control (escala)

A = matriz de n * n

B = matriz de n * 1

El sistema descrito por la ecuación (01) se dice que es de estado

controlable en t = to, si es posible construir una señal de control no

restringida, que pueda transferir un estado inicial en cualquier estado

final en un intervalo de tiempo finito to < t < ti. Si todo estado es

controlable, entonces se dice que el sistema es de controlabilidad del

estado completo.

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Observabilidad.

Un sistema es observable en tiempo to si, con el sistema en el

estado (X to), es posible determinar esté estado a través de la observación

de la salida durante un intervalo finito de tiempo. Consideremos el

sistema no forzado, por las ecuaciones siguientes:

x=A*x (02)

y=C*x (03)

donde:

x = vector de estado (vector de dimensión n)

y = vector de salida (vector de dimensión m)

A = matriz de n * n

C = matriz de m * n

Se dice que el sistema es completamente observable, si cada

estado x (to) se puede determinar a partir de la observación de y (t) en un

intervalo de tiempo finito to < t < ti. Por lo tanto, el sistema es

completamente observable, si cada transición del estado, afecta

eventualmente a cada elemento del vector de salida. El concepto de

observabilidad es útil, al resolver el problema de construir variables de

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estados no medibles, a partir de otras medibles, en el menor tiempo

posible. Por lo tanto, sin perder generalidad, se puede suponer que to=0.

El concepto de observabilidad es importante, porque, en la

práctica, el problema que se encuentra con el control de

retroalimentación de estado es que algunas variables de estado no son

accesibles a la medición directa, por lo que se requiere estimar las

variables de estado no medibles, a fin de construir las señales de control.

Tal estimación de las variables de estado es posible si y sólo si, el

sistema es completamente controlable.

Tiempo de respuesta.

Un sistema de control que varía en el tiempo es un sistema en que

uno o más de sus parámetros pueden variar en función del tiempo. Un

sistema de múltiples variables, es un sistema con varias señales de

entrada y salida. La solución de una formulación en el dominio del

tiempo para un problema de sistema de control. Se facilita por la

disponibilidad y facilidad del uso de computadoras digitales y

analógicos. Por tanto, nos interesa considerar la descripción en el

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dominio del tiempo de los sistemas dinámicos según su representación

mediante ecuaciones diferenciales. La representación de los sistemas de

control en el dominio del tiempo es una base fundamental para la teoría

moderna de control y optimización de sistemas.

Frecuentemente es deseable obtener el tiempo de repuesta de las

variables de estado en un sistema de control y así examinar el

funcionamiento de éste. La repuesta transitoria de un sistema pude

obtenerse fácilmente calculando la solución de la ecuación diferencial

vectorial de estado. Evidentemente, si se conocen las condiciones

iniciales x (0), la entrada u (t) y la matriz de transición e (t), la repuesta

del tiempo de x (t) pude calcularse numéricamente.

2.1.1 Tipos de Sistemas de Control

Entre los diferentes tipos de sistemas de control los más importantes son:

Sistema de Control Retroalimentado

Es aquel que tiende a mantener una relación preestablecida

entre la salida y alguna entrada de referencia, comparándolas y utilizando

la diferencia como medio de control. Es decir, tomando un control de

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temperatura ambiente para una habitación, se da lo consiguiente que,

midiendo la temperatura de la habitación y comparándola con la

temperatura de referencia, como es; la temperatura deseada, el termostato

conecta o desconecta los equipos de calefacción o refrigeración, de modo

que la habitación se mantiene a una temperatura confortable,

independientemente de las condiciones del exterior.

También podríamos agregar que estos no están limitados al

campo de la ingeniería, sino que se les puede encontrar en otras áreas

ajenas a las mismas. Es decir, el organismo humano es análogo a un

sistema de control retroalimentado muy avanzado; la temperatura de

la sangre se mantiene en valores constantes por medio de una

retroalimentación fisiológica. De hecho la retroalimentación cumple una

función vital, que hace al cuerpo humano relativamente insensible a

perturbaciones externas, permitiéndole desenvolverse adecuadamente en

un medio ambiente cambiante.

Tomando como ejemplo la figura No 2, el diagrama

esquemático del control de temperatura de un horno eléctrico. La

temperatura en el interior del horno se mide con un termómetro, que es

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un dispositivo analógico. La temperatura se convierte a un valor de

temperatura digital, por un convertidor A/D y con ésta se alimenta un

controlador a través de una interfaz. La temperatura digital se compara

con la temperatura de entrada programada, y ante cualquier discrepancia,

es decir; ante cualquier error, el controlador envía una señal al calefactor,

a través de un amplificador y relevador, para llevar la temperatura del

horno al valor deseado.

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Sistema de Regulación Automática

Es aquel en el que la entrada de referencia o la salida

deseada son, o constante o bien varían lentamente en el tiempo, y donde

la tarea fundamental consiste en mantener la salida en el valor deseado a

pesar de las perturbaciones presentes. En la industria se utilizan

frecuentemente robots industriales para mejorar la productividad. Este

puede realizar tareas complejas sin errores en su operación, y puede

trabajar en un ambiente intolerable para operadores humano. También

puede funcionar a temperaturas extremas, es decir; tanto altas como

bajas, o en un medio de alta o baja presión, bajo el agua o en el espacio.

El robot industrial debe manejar partes mecánicas que

tienen formas de pesos particulares. Por tanto, deben poseer al menos un

brazo, una articulación y una mano. Deben tener suficiente potencia para

realizar la tarea y la capacidad al menos para una movilidad mínima. El

robot como el de la figura No 3 toma contacto primeramente con un

objeto, y luego, a través de sus microinterruptores, confirma la existencia

de un objeto en el espacio y procede al siguiente paso de tomarlo. En un

robot de alto nivel se utilizan medios ópticos, como un sistema de

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televisión para explorar el ambiente que rodea a un objeto. Reconoce las

imágenes y determina la presencia del objeto.

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Se requiere un computador para el procesamiento de señales

en el reconocimiento de imágenes. El robot recoge la pieza y la desplaza

hacia el lugar de montaje, donde ensambla la diversa parte para formar

un componente. La función del controlador la realiza un computador

digital programado.

Sistema de Control de Proceso

Es un sistema de regulación automática en el que la salida

es una variable como temperatura, presión, flujo, nivel de liquido o pH.

El control de proceso tiene amplia aplicación en la industria. En estos

sistemas con frecuencia se usan controles programados, como el de la

temperatura de un horno de calentamiento en que la temperatura del

mismo se controla según un programa preestablecido.

Por otra parte el programa preestablecido puede consistir en

elevar la temperatura a determinado valor durante un intervalo de tiempo

definido, y luego reducir a otra temperatura prefijada también durante un

periodo determinado. En esté control el punto de referencia se ajusta

según el cronograma preestablecido. El controlador entonces funciona

manteniendo la temperatura del horno cercana al punto de ajuste variable.

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Sistema de Control de Lazo Cerrado

Con frecuencia se le llama así a los sistemas de control

retroalimentado. En la práctica, se utiliza indistintamente la

denominación control retroalimentado o control de lazo cerrado. La señal

de error actuante, que es la diferencia entre la señal de entrada y la de

retroalimentación, es decir; puede ser la señal de salida o una función de

señal de salida y sus derivadas, entra al controlador para reducir el error y

llevar la salida del sistema a un valor deseado. El término lazo cerrado

implica siempre el uso de la acción de control retroalimentado para

reducir el error del sistema.

Sistema de Control de Lazo Abierto

Es el sistema de control en que la salida no tiene efecto

sobre la acción de control. En otras palabras, en un sistema de control de

lazo abierto la salida ni se mide ni se retroalimenta para compararla con

la entrada. En cualquier sistema de control de lazo abierto, no se compara

la salida con la entrada de referencia. Por tanto, para cada entrada de

referencia corresponde a una condición de operación fija. Así la precisión

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del sistema depende de la calibración. En presencia de perturbaciones, un

sistema de control de lazo abierto no cumple su función asignada.

En la práctica el control de lazo abierto sólo se puede

utilizar si la relación entre la entrada y la salida es conocida, y si no se

presentan perturbaciones tanto internas como externas.

Sistema de Control de Lazo Cerrado versus Lazo

Abierto .

Una ventaja del sistema de control de lazo cerrado donde el

uso de la retroalimentación hace que la repuesta del sistema sea

relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones

internas de parámetros del sistema. De este modo, es posible utilizar

componentes relativamente imprecisos y económicos, y lograr la

exactitud de control requerida en determinada planta, cosa que seria

imposible en un control de lazo abierto. Desde el punto de vista de la

estabilidad, en el sistema de control de lazo abierto, es más fácil de

lograr, ya que en él la estabilidad no constituye un problema importante.

En cambio, en los sistemas de lazó cerrado, la estabilidad sí

es un problema importante, por su tendencia a sobrecorregir errores que

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pueden producir oscilaciones de amplitud constante o variable. Hay que

puntualizar que para sistemas cuyas entradas son conocidas previamente

y en los que no hay perturbaciones, es preferible utilizar el control de

lazo abierto. Los sistemas de control de lazo cerrado tienen ventajas

solamente si se presentan perturbaciones no previsibles y/o variaciones

imprevisibles de componentes del sistema.

La cantidad de componentes utilizados en un sistema de

control de lazo cerrado es mayor a la correspondiente a un sistema de

control de lazo abierto. Así, entonces, un sistema de control de lazo

cerrado es generalmente de mayor costo y potencia. Para reducir la

potencia requerida por un sistema, cuando sea posible, es conveniente

usar un sistema de lazo abierto. Por lo común resulta menos costosa una

combinación adecuada de controles de lazo abierto y cerrado, lográndose

un comportamiento general satisfactorio.

Sistema de Control Adaptable.

Las características dinámicas de la mayoría de los sistemas

de control no son constante por varias razones, como el deterioro de los

componentes al paso del tiempo, o las modificaciones en los parámetros

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o en el medio ambiente. Aunque en un sistema de control

retroalimentado se atenúan los efectos de pequeños cambios en las

características dinámicas, si las modificaciones en los parámetros del

sistema y en el medio son significativas, un sistema, para ser

satisfactorio, ha de tener capacidad de adaptación. Adaptación implica la

capacidad de autoajustarse o automodificarse de acuerdo con las

modificaciones imprevisibles del medio o estructura.

Los sistemas de control que tienen algún grado de capacidad

de adaptación, es decir, el sistema de control que por si mismo detecta

cambio en los parámetros de la planta y realiza los ajustes necesarios en

los parámetros del controlador, para mantener un comportamiento

óptimo. En un sistema de control adaptable, las características dinámicas

deben estar identificadas en todo momento, de manera que los

parámetros del controlador pueden ajustarse para mantener un

comportamiento optimo.

De este modo, un sistema de control adaptable es un sistema

no estacionario. También se puede decir, que un sistema de control

adaptable, además de ajustarse a los cambios ambientales, también lo

hace ante errores moderados del proyecto de ingeniería o incertidumbres,

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y compensa la eventual falla de componentes menores del sistema,

aumentando, por tanto, la confiabilidad de todo el sistema.

Sistema de Control de Aprendizaje

Muchos sistemas de control que aparentemente son de lazo

abierto, pueden convertirse en sistemas de lazo cerrado si un operador

humano se considera como un controlador, que compara la entrada y la

salida y realiza las razones correctivas basadas en la diferencia resultante

o error. Si se intenta analizar tales sistemas de control de lazo cerrado

con intervención humana, se encuentra el dificil problema de plantear

ecuaciones que describan el comportamiento del operador humano. En

esté caso uno de los muchos factores que lo complican, es la capacidad

de aprendizaje del ser humano. A medida que este va adquiriendo

experiencia, mejora como elemento de control, y esto debe tomarse en

cuenta al analizar el sistema.

Sistema de Control Coordinado

Es importante que los sistemas de control coordinado se

apliquen cada vez mas en la industria energética para mejorar la

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eficiencia del uso de los recursos enérgicos. También ha tenido un

aumento importante el control de las centrales eléctricas para minimizar

la contaminación. Las plantas modernas de gran capacidad, que superan

varios cientos de megavatios (MW), requieren sistemas de control

automáticos que consideren la interrelación de las variables de proceso y

la producción optima de potencia. En la figura No 4 se tiene un modelo

simplificado que muestra alguna de las variables importantes de control

en la caldera y turbina de una unidad de generación de potencia.

En el sistema de control coordinado, la demanda de

megavatios de la unidad de generación se aplica directamente tanto a la

caldera como a la turbina. A la turbina se le asigna la tarea de controlar el

flujo de vapor y a la caldera la tarea de suministrar vapor y mantener la

presión de estrangulamiento. La demanda de la turbina se compara al

flujo de vapor y el error se limita mediante límites de presión máximos y

mínimos de la turbina, que impiden que la turbina exceda la capacidad de

cambio de carga de la caldera. La válvula de control de la turbina es a

pulsos para suministrar la salida deseada en megavatios y la caldera

ajusta la velocidad de disparo para coincidir con el nuevo límite de

energía.

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La temperatura de salida del vapor modifica la demanda en

megavatios para compensar la demanda de encendido. La demanda

compensada de megavatios se suma a los errores integrados de

megavatios y de presión de vapor, y esta señal constituye la demanda

para los controles de combustión cuando el sistema se halla en control

coordinado. Durante transitorio y cambios de eficiencia de la caldera y/o

turbina, pueden producir errores de megavatios y errores de presión.

Según la dirección de estos dos errores, se requieren diferentes acciones

de control en la turbina o en la caldera.

El error de megavatios y el error de presión del vapor se

acoplan para calcular la acción de control requerida por el sistema. Si

durante un transitorio tanto la señal de error de megavatios como la de

control de presión son altas o bajas ello indica que el encendido de

la caldera es incorrecto. Si se restan ambos errores, se anula toda acción

en el controlador de megavatios y por lo tanto no se reajustan las válvulas

de las turbinas. No obstante, ambos errores se suman y aplican al

controlador de presión, que aumenta o reduce la velocidad de encendido

de la caldera. Si el error en megavatios es elevado y el error de

presión es bajo, o viceversa, deben regularse tanto la turbina como

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la caldera. Como los errores son de polaridad opuesta, no se adopta

acción alguna en el controlador de presión.

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Seguidamente los errores se suman en el controlador de

megavatios y las válvulas en el regulador de la turbina se reposicionan

así para corregir el error de megavatios. Este cambio de válvulas de la

turbina corrige el error de presión.

2.1.2 Clasificación de los Sistemas de Control

Según la acción de control que estos realizan se pueden

clasificar en:

Control de Encendido-Apagado (on-offl)

En el modo de control de encendido-apagado, el dispositivo

correcto final solo tiene dos posiciones, o estados de operación. Por esta

razón, el control de encendido-apagado es también conocido como

control de dos posiciones y también como control bang-bang. Si la señal

de error es positiva, el controlador envía el dispositivo correcto final a

una de sus dos posiciones. El control de encendido-apagado puede

visualizarse adecuadamente considerando que el dispositivo corrector

final es una válvula actuada por solenoide. Al ser actuada una válvula por

solenoide, esta completamente abierta y completamente cerrada.

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No hay ningún punto intermedio. Por tanto, una válvula

actuada por solenoide encaja perfectamente en nuestro sistema de control

de encendido-apagado. Todos los controladores de encendido-apagado

tienen una pequeña brecha diferencial. La brecha diferencial de un

controlador de encendido-apagado se define como el rango menor de

valores que debe atravesar el valor medio para hacer que el dispositivo

correcto pase de una posición a la otra. La brecha diferencial está

definida específicamente para el control encendido-apagado. No hay algo

similar a una brecha diferencial en los otros modos de control. Con

frecuencia se expresa como un porcentaje de una escala completa.

La brecha diferencial es una expresión que dice cuando

debe pasar el valor medido por encima del punto del ajuste una cierta

cantidad pequeña (la señal de error debe alcanzar un cierto valor

positivo) para cerrar la válvula. De la misma manera, el valor medido

debe caer por debajo del punto de ajuste en una cantidad pequeña (la

señal de error debe alcanzar un cierto valor negativo) para abrir la

válvula. En muchos controladores de encendido-apagado, la brecha

diferencial es fija. Si este es el caso, generalmente es menor al 2% de la

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escala completa. Algunos controladores de encendido-apagado tienen

una brecha diferencial ajustable que permite al usuario seleccionar la

cantidad adecuada para su aplicación.

Control Proporcional

En el modo de control proporcional, el dispositivo

correcto final no es obligado a tomar una posición de todo a nada.

En cambio, tiene un rango continuo de posición posibles. La

posición exacta que toma es proporcional a la señal de error. En

otras palabras, la salida del bloque del controlador es

proporcional a su entrada. Los efectos del uso del modo de

control proporcional, serán como, eliminan la oscilación

permanente que siempre acompaña al control de encendido-

apagado. Puede haber alguna oscilación temporal al llegar el

controlador a la temperatura de control final, pero tarde o temprano

las oscilaciones desaparecen si la banda proporcional esta ajustada

de manera adecuada.

Sin embargo, si la banda proporcional se ajusta a un tamaño

muy pequeño, pueden ocurrir oscilaciones de todos modos, pues una

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33

banda proporcional muy pequeña hace que el control proporcional se

comporte casi igual que un control de encendido apagado.

Control Proporcional más Integral

El control proporcional más integral también se llama

control proporcional más reajuste. En el control proporcional más

integral, la posición de la válvula de control es determinada por dos

cosas:

a. La magnitud de la señal de error: ésta es la parte

proporcional.

b. La integral del tiempo de la señal de error: en otras

palabras, la magnitud de error multiplicada por el tiempo en que ha

persistido. Esta es la parte integral.

Puesto que la válvula puede responder a la integral de

tiempo del error, cualquier error de offset permanente que resulte del

control proporcional en algún momento es corregido con el paso del

tiempo. Puede pasarse en esto de la siguiente manera: la parte de control

proporcional posiciona la válvula en proporción del error existente.

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34

Entonces la parte de control integral detecta la persistencia de ese

pequeño error (offset). Con el paso del tiempo, la parte integrar aleja la

válvula de la misma dirección, ayudando a reducir el offset.

Entre mayor tiempo persiste el error, mayor distancia se

mueve la válvula. En algún momento, el error se reducirá a cero, y el

movimiento de la válvula cesará. Deja de moverse porque, a medida que

pasa el tiempo, la integral de tiempo del error ya no aumenta, debido a

que el error ahora es cero.

Control proporcional más Integra1 más Derivativo

Aunque el control proporcional más integral es adecuado

para la mayoría de las situaciones de control, no es adecuada para todas.

Hay algunos procesos que presentan problemas de control muy difíciles

que no pueden ser manejados por el control proporcional más integral.

Específicamente, aquí hay dos características de procesos que presenta

problemas de control de tal dificultad que en el Control proporcional más

integral podría ser suficiente:

a. Cambios de carga muy rápidos.

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35

b. Mucho tiempo de atraso entre la aplicación de la acción

correctiva y la aparición de resultados de esa acción correctiva en la

medición.

En los casos en los que prevalece alguno de estos dos

problemas, la solución podría ser el control proporcional más integral

más derivativo. El término control derivativo también se llama control de

razón de cambio. En el control proporcional más integral más derivativo,

la acción correctiva (la posición de la válvula) es determinada por tres

elementos:

a. La magnitud del error. Esta es la parte proporcional.

b. La integral de tiempo del error, o la magnitud del error

multiplicada por el tiempo que ha persistido. Esta es la parte integral.

c. La razón de cambio del error con el tiempo. Un rápido

cambio del error provoca una mayor acción correctiva que un cambio de

error lento. Ésta es la parte derivativa.

En un sentido intuitivo, la parte derivativa del controlador

intenta "ver adelante" y predecir que el proceso presentara cambio mayor

Page 29: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

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del esperado por las mediciones actuales. Esto es, si la variable medida

cambia con mucha rapidez, con seguridad intentará cambiar en una

cantidad grande. Siendo éste el caso, el controlador intenta adelantarse al

proceso aplicando una acción correctiva mayor que la requerida por un

control proporcional más integral exclusivamente.

2.2 CALDERAS

Las calderas según Eugene A. (1990, p 150), son dispositivos

utilizados para calentar agua y generar vapor a una presión muy superior

a la atmosférica. Las calderas se componen de un compartimento donde

se consume el combustible o se produce la combustión y otro donde el

agua se convierte en vapor. Las modernas calderas pueden operar a

presiones de 340 atmósferas y generar más de 4000 toneladas de vapor

por hora, debido a que la temperatura de combustión puede superar los

1650 grados Centígrados, pueden alcanzar un 90% de rendimiento del

combustible y el tratamiento químico del agua para evitar la deposición

de óxidos y la corrosión también contribuyen a la eficiencia del

dispositivo.

Page 30: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

37

2.2.1 TIPOS DE CALDERA

En la industria se utilizan muchos tipos de caldera dentro de

capacidades que van desde los 100000 hasta el millón de libras de vapor

por hora (de 45 a 450 ton métricas), pero la mayoría de ellas son del tipo

de un solo paso, y están equipadas con dos domos y tienen una

construcción que emplea los bancos de tubos en forma de U. Sin

embargo, para algunas aplicaciones se utilizan las calderas equipadas con

un horno integral para capacidades de generación de vapor hasta de

medio millón de libras de vapor por hora (230 ton métricas).

Las calderas que utilizan los bancos de tubos de agua

directamente conectados a los domos de vapor y de agua están limitadas,

en general, a una presión máxima del vapor producido de 1650 lb/pulg2

(116 kgf/cm2), ya que el espacio necesario entre los tubos que se

conectan a los domos de alta presión tiene que ser lo suficientemente

grande para aumentar la eficiencia de ligamento del domo y reduce

considerablemente la eficiencia de absorción de calor, entre las calderas

más importantes tenemos:

Page 31: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

38

Calderas de radiación

Muchos diseños para operar a presión y temperatura altas

utilizan un tipo de calderas con capacidades desde 500000 hasta nueve

millones de libras de vapor por hora (de 230 a 4 100 ton métricas de

vapor por hora) pero en general se clasifican como calderas del tipo de

radiación. En éstas casi no se produce vapor por convección de calor, ya

que la mayor parte del vapor se produce virtualmente en los bancos de

tubos que forman la cubierta de las paredes del horno, aprovechando el

calor radiado de estos tubos procedentes de los gases de combustión.

Calderas de circulación forzada

Las calderas de tipo domo natural o de circulación forzada

están restringidas en lo que se refiere a la presión de operación a un

máximo de alrededor de 2600 lb/pulg2 (186 kgf/cm2) en la salida del

sobrecalentador, debido a las características limítantes del flujo y de la

separación de vapor. Sin embargo, en las calderas de tipo de flujo

forzado que tienen un solo paso no tienen esta restricción en cuanto a la

presión de operación.

Page 32: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

39

En calderas de flujo forzado de un solo paso de gases de

combustión, el flujo de agua generalmente se inicia del economizador

hacia los tubos que forran el interior de la pared del horno, de ahí se

dirige hacia el banco de tubos en contacto con el sistema de convección y

hacia el sobrecalentador primario. En general, la transformación del agua

a vapor (si esta operación se hace por debajo de la presión crítica) se

inicia en los circuitos del horno y depende de las condiciones de

operación de la caldera y de su diseño. Esta evaporación se completa ya

sea en el banco de tubos en contacto con el sistema de convección o en el

sobrecalentador primario. El vapor que procede del sobrecalentador

primario pasa hacia el secundario (y posiblemente hacia un terciario).

Se cuenta también con uno o más recalentadores para elevar

la presión del vapor de baja presión.

Se han desarrollado varios tipos de caldera para satisfacer

necesidades especiales, además de las calderas convencionales para

convertir energía de los combustibles normales (carbón mineral, petróleo

y gas natural), en vapor y obtener electricidad, o para la utilización del

vapor en diversos procesos.

Page 33: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

40

Calderas de recuperación de calor

Las calderas de recuperación de calor de desecho y

recuperación de calor de los gases de chimenea, utilizan el calor sensible

presente para generar vapor. Para recuperar este calor en general se

utilizan calderas de tubos de agua muchas veces con el auxilio de

sobrecalentadores y economizadores; sin embargo, las calderas de tubos

de humos también pueden utilizarse para procesos de enfriamiento o para

procesar otros gases, cuando el contenido de un gas a presión constituye

un factor importante y los requerimientos de vapor son pequeños.

Las calderas que producen agua a alta temperatura y a alta

presión utilizan el agua caliente para cargas de calefacción en grandes

áreas de oficinas. El agua se recircula a alta presión de hasta 450 lb/pulg2

(31.6 kgf/cm2) a través del generador y de los sistemas de calefacción. El

agua sale del generador a una temperatura por debajo de la saturación,

que va desde los 4000F (200 C). Estas calderas generalmente cuentan con

un horno con paredes de tubos de agua y una cámara para el paso de los

gases, con las superficies de intercambio de calor por convección

arregladas geométricamente en secciones similares a las que hay en un

economizador. Las capacidades varían, en general, de 60 000 000 de

Page 34: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

41

Btu/h (15120 kcal/h) para las unidades paquete y para las unidades que se

tienen que ensamblar en el campo pueden diseñarse para capacidades

mucho más altas.

El gas de desecho procedente de las refinerías del proceso

de desintegración catalítica (craqueo) contienen monóxído de carbono y

puede utilizarse esta corriente como combustible para operar las llamadas

calderas de monóxido de carbono. En general se utiliza un horno de

forma cilíndrica que contiene el gas a presión y se emplean quemadores

de monóxido colocados en forma tangencial con objeto de aumentar el

tiempo de residencia del gas en el interior del horno. Las paredes del

horno están enfriadas por tubos de agua y cubiertas de material

refractario para facilitar la ignición del gas combustible. Se cuenta

además con quemadores convencionales, ya sea para gas o para petróleo,

para efectuar la operación de arranque; se tienen quemadores pilotos de

operación continua y puede generarse vapor con ellos cuando el proceso

de desintegración está fuera de servicio.

Las calderas de tipo de recuperación se diseñan

especialmente para recuperar ciertos elementos químicos presentes en los

líquidos ya agotados de los procesos de fabricación del papel, ya sea que

Page 35: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

42

utilicen el proceso "kraft", el de sulfito o el de sosa. El licor se alimenta a

la zona de combustión de un horno enfriado con tubos de agua, ya sea en

forma de suspensión o de una cama de masa fundida en el piso del horno.

Los productos químicos, que dependen del proceso en particular, se

recuperan ya sea de la masa fundida o de los gases de combustión de tal

forma que permite una conversión económica para volverse a utilizar en

otros procesos.

2.2.2 COMPOSICIÓN DE LAS CALDERAS

Las calderas generalmente están compuestas por las

siguientes partes principales:

Hornos

Un horno u hogar es una cámara donde se efectúa la

combustión, como lo define Theodore B. (1990,p 156). La cámara

regula y confina la combustión de los productos y es capaz de resistir las

altas temperaturas que se presentan y la presión que se utiliza. Sus

dimensiones y geometría están adaptadas a la velocidad de generación o

energía térmica, al tipo de combustible utilizado y al método de

Page 36: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

43

combustión, de tal manera que promuevan una combustión completa y

proporcionen un medio para eliminar la ceniza. En hornos enfriados con

agua, el calor absorbido por radiación afecta materialmente la

temperatura de los gases de combustión en el interior del horno, así como

los gases que salen del mismo, lo cual contribuye directamente a la

generación de vapor.

Estos límites pueden extenderse a temperaturas mayores, sí

se recurre al enfriamiento del material refractario con aire que pase a

través de canales en la estructura o haciendo secciones en las paredes en

forma de paneles para transferir la carga hacia el exterior de la estructura

de soporte. El calor absorbido puede recuperarse utilizando el aíre de

enfriamiento para la combustión, acelerando así la ignición y el completo

quemado del combustible.

Los hornos con paredes enfriadas se utilizan en la mayoría

de las calderas para cualquier tipo de combustible y método de

encendido. Los hornos con agua de enfriamiento reducen la transferencia

de calor a los miembros estructurales que lo forman y, en consecuencia,

la temperatura puede limitarse de tal manera que satisfaga los

requerimientos de resistencia de los elementos estructurales y se tenga

Page 37: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

44

resistencia a la oxidación. Las construcciones de los hornos que tienen

enfriamiento con tubos de agua permiten los sistemas de grandes

dimensiones y los arreglos óptimos en las calderas, arcos y montura de

los quemadores; así como el uso de mallas tubulares, placas o paredes

divisorias, que aumentan la superficie de absorción de calor en la zona de

combustión. El uso de hornos con enfriamiento con agua reduce las

pérdidas de calor al exterior.

Sobrecalentadores y Recalentadores

La adición de calor al vapor después de la evaporación, o

cambio de estado, es acompañada por un aumento en la temperatura y la

entalpía del fluido. El calor se agrega al vapor en componentes de la

caldera llamados sobrecalentadores y recalentadores, los cuales se

componen de elementos tubulares expuestos a los productos gaseosos a

alta temperatura de la combustión.

Las ventajas del sobrecalentamiento y recalentamiento en la

generación de potencia son resultado de la ganancia termodinámica en el

ciclo de Rankine, la reducción de las pérdidas de calor debidas a la

humedad en las etapas de baja de presión en la turbina con presiones y

Page 38: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

45

temperaturas altas del vapor se dispone de más energía útil, pero los

avances hacia temperaturas altas del vapor a menudo son restringidos por

la resistencia mecánica y a la oxidación del acero y las aleaciones

ferrosas con los que se cuenta en la actualidad y son económicamente

prácticos para su uso en la parte bajo presión de las calderas y en la

construcción de las paletas de las turbinas.

El término sobrecalentado se aplica al vapor de más alta

presión y el de recalentado se refiere al vapor de presión más baja que ha

cedido parte de su energía durante la expansión en la turbina de alta

presión. Con presión de vapor inicial alta, pueden emplearse una o más

etapas de recalentamiento con el fin de mejorar la eficiencia térmica de la

unidad de generación.

Los sobrecalentadores del tipo de convección se instalan

más allá de la salida del hogar, donde las temperaturas del gas son más

bajas que las de las zonas en las que se usan los sobrecalentadores del

tipo radiante. Comúnmente, los tubos se disponen en la forma de

elementos paralelos, con poco espaciamiento lateral, y en bancos de

tubos que se extienden parcial o completamente a través del ancho de la

corriente de gas, con el gas fluyendo a través de los espacios

Page 39: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

46

relativamente angostos entre los tubos. Se obtienen gastos elevados de

gas y, en consecuencia, velocidades altas de transferencia de calor por

convección a expensas de caída de presión del gas a través del banco de

tubos.

Economizadores

Los economizadores eliminan el calor de los gases de

combustión que ya tienen una temperatura relativamente baja después

que han pasado las secciones de generación de vapor, y de

sobrecalentamiento/recalentamiento.

Los economizadores son, en efecto, calentadores de agua de

alimentación que la reciben de las bombas de alimentación, la descargan

a una temperatura más alta hacia el generador de vapor. Los

economizadores se usan en lugar de incrementar la superficie generadora

de vapor dentro de la caldera, ya que el agua de alimentación y, en

consecuencia, el área que recibe calor están a temperaturas más bajas que

la temperatura de saturación del vapor y, por tanto, los gases pueden

enfriarse a una temperatura aún más baja para lograr mayor recuperación

de calor y mejorar la economía.

Page 40: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

47

Los economizadores pueden diseñarse para operar con flujo

forzado, en un sistema de flujo de un solo paso para transferencia de

calor por convección, utilizando generalmente tubos de acero a los cuales

se les hace llegar el agua de alimentación a una presión superior que la

que opera en la sección de generación de vapor y con una velocidad

correspondiente a la capacidad de producción de la caldera. Pueden

clasificarse como economizadores horizontales o verticales, de acuerdo

con el arreglo geométrico de sus tubos; de flujo longitudinal o cruzado,

según la dirección del gas con respecto a los tubos; de flujo en paralelo o

a contracorriente, según la dirección relativa del gas y el agua, como

generadores o no generadores de vapor, según el funcionamiento

térmico; como de tubos continuos O tubos en U, según los detalles de

diseño; o como tubos desnudos o con superficie aletada, según el tipo de

superficie de absorción de calor del banco de tubos.

El tamaño del economizador depende de las consideraciones

económicas que representan el costo del combustible, del funcionamiento

térmico comparativo de otros equipos generadores de vapor, del

funcionamiento potencial de un calentador de aire, de la temperatura de

alimentación y la deseada a la salida de los gases de combustión.

Page 41: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

48

Precalentadores de Aire

Los precalentadores de aire, al igual que los

economizadores, eliminan el calor de los gases de combustión que ya

tienen una temperatura relativamente baja. La temperatura del aire de

entrada es menor que la del agua que entra al economizador y, por tanto,

es posible reducir aún más la temperatura de los gases de combustión

antes que se descarguen en la chimenea.

El calor que se elimina de los gases de combustión se

recircula directamente al horno junto con el aire de combustión, y cuando

se agrega a la energía térmica que se está desprendiendo de la

combustión, se convierte en energía disponible para la absorción en la

unidad de generación de vapor, con lo cual resulta una ganancia en la

eficiencia térmica en general. El uso de precalentadores de aire de

combustión acelera el proceso de encendido y promueve una combustión

rápida y completa del mismo.

Los calentadores de aire se clasifican en general como de

tipo recuperativo o regenerativo. En ambos se utiliza un sistema de

transferencia de calor por convección de los gases de combustión al

Page 42: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

49

metal u otra superficie sólida y por convección de ésta hacia la masa de

aire. El tipo de precalentador de aire tipo regenerativo tiene elementos

estacionarios y cl flujo alterno de gas y aire se controla por medio de

conexiones de entrada y salida a través de válvulas adecuadas.

Quemadores

El propósito principal de un quemador es mezclar y dirigir

el flujo de combustible y aire de tal manera que se asegure el encendido

rápido y la combustión completa, tal como lo enuncia Baumeister T.

(1990, p 126). Los quemadores del tipo circular pueden usarse para

quemar carbón, petróleo o aceite. Cuando se quema petróleo, tiene que

atomizarse por medio de la presión de combustible o usando gas

comprimido, por lo general vapor o aire. Los atomizadores que utilizan la

presión del combustible generalmente son de los tipos mecánicos de flujo

único o de flujo de retorno.

2.2.3 FUNCIONAMIENTO DE LAS CALDERAS

Los generadores de vapor se diseñan para condiciones de

operación específicas, esto permite a los fabricantes garantizar su

Page 43: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

50

funcionamiento. Tanto la garantía como las especificaciones de la unidad

son dadas en términos de potencia de vapor (lb/h), para una presión y

temperatura determinadas con anterioridad, en que se considera una

operación continua con carga completa. En las características de la

unidad se incluyen, en caso de que se utilice vapor recalentado, las

cantidades de vapor requeridas en la entrada y en la salida, así como la

presión y temperatura del mismo.

En forma general, el fabricante garantiza tanto la eficiencia

como la temperatura de salida del vapor dentro de un intervalo de

operación determinado. Algunos fabricantes incluyen, dentro de la

garantía de funcionamiento de la unidad, la cantidad de corriente que se

pierde y la calidad o grado de pureza del vapor obtenido.

Cuando las partes componentes del equipo, como: hornos,

pulverizadores, quemadores y calentadores de aire, son suministrados por

diferentes fabricantes, el funcionamiento de cada una de las partes está

garantizado por el respectivo productor, además de la garantía de la

unidad ensamblada.

Para establecer el balance de calor, de la energía que entra al

sistema, se considera la última absorción de calor o pérdida térmica. Los

Page 44: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

51

métodos para medir o calcular las cantidades comprendidas en un

balance de calor se encuentran en el Power Test Code for Stationary

Steam Generating Unitz de ASME.

El calor de alimentación está dado por la cantidad de fuego

disponible en una hora, el valor calorífico del combustible y cualquiera

otra cantidad de calor alimentada al sistema debida a una fuente externa.

El calor necesario para precalentar el aire de combustión se obtiene de un

calentador integrado a la caldera; esta unidad no se considera cuando se

quiere determinar el calor de alimentación, ya que constituye un circuito

de recirculación dentro del sistema. Tanto el calor de entrada como la

absorción de calor pueden alcanzar valores muy elevados; por

consiguiente, no se requieren cuidados extremos en la toma de muestra y

medidas de las cantidades de combustible y vapor, ya que es difícil

obtener datos de prueba que tengan el grado de seguridad requerido para

determinar la eficiencia real de la caldera. Por lo tanto y porque cada

pérdida térmica representa un porcentaje relativamente pequeño de calor

total del sistema, pueden aceptarse errores razonables en las medidas, los

cuales no afectan en forma considerable el resultado final. Así, la

Page 45: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

52

eficiencia de una caldera se establece generalmente a partir de la pérdida

de calor.

2.2.4 CONTROL Y AJUSTE DE LA TEMPERATURA DEL

VAPOR DE SALIDA DE LA CALDERA

El control de temperatura del vapor es de vital importancia

para la vida del equipo de alta temperatura y para la economía de las

plantas de generación.

Las temperaturas de operación reales por debajo de la de

diseño reducen la eficiencia termodinámica e incrementan los costos de

consumo de combustible, y la temperatura de operación reducen la

resistencia de los tubos, los domos, las válvulas y los elementos de la

turbina.

La velocidad de la respuesta difiere según el método

aplicado, y el control de la temperatura de vapor por medio de una

derivación o por la posición de la llama es mucho más lento que el vapor

mezclado con una aspersión de agua. Los controles de operación de estos

métodos pueden arreglarse en forma manual o automática.

Page 46: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

53

La necesidad de utilizar instrumentos para la operación y el

control automático o manual varía con el tamaño y el tipo del equipo

utilizado, el método de encendido y la habilidad del personal de

operaciones.

Para las grandes calderas de servicio industrial, es necesario

utilizar instrumentos de control automático para las variables principales,

como el flujo de agua de alimentación, la descarga y velocidad de

quemado del combustible, así como la temperatura del vapor generado.

La secuencia de operaciones de control, en general, son necesarios para

establecer un arranque en las calderas en servicio, una purga del horno,

encendido de los quemadores y el control de operación del quemador. Es

esencial la interacción entre los instrumentos para asegurar la secuencia

adecuada en la operación de arranque y encendido, así como para activar

las alarmas automáticamente o parar completamente la unidad en el caso

de falla de los elementos esenciales.

2.3 TURBINA

La función de la turbina como la define Baumeister (1990, p.

435) es convertir directamente la energía térmica presente en el vapor

Page 47: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

54

comprimido, en potencia rotatoria. Existen dos formas fundamentales de

turbinas, una forma es la turbina de impulso que deriva su nombre del

hecho que el miembro rotatorio es empujado por la fuerza del vapor que

choca contra los álabes. La segunda forma es la turbina de reacción,

llamada así debido a que es la sacudida reactiva, o que se obtiene como

reacción del paso y salida del vapor a través del elemento rotatorio, lo

que hace que la turbina rote.

A pesar de que las turbinas comerciales no se parecen a estos

modelos elementales, operan siguiendo los mismos principios básicos. Si

comprendemos que en una turbina de impulso el rotor es mantenido en

movimiento por el choque del vapor contra los álabes rotatorios, que en

la turbina de reacción el miembro rotatorio deriva su fuerza de rotación a

partir del vapor que sale de los álabes y que todas las turbinas

comerciales utilizan uno de estos dos principios o una combinación de

los mismos, tendremos suficientes bases para proceder a examinar ulte-

riormente a la turbina.

Básicamente, todo lo que se requiere para una turbina productora

de potencia, y que este en capacidad de funcionar, es un orificio o tobera

a través del cual pasará el vapor, y los álabes montados sobre el aro de la

Page 48: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

55

rueda del rotor. Se añade una carcasa para confinar o contener al vapor,

así como también válvulas para controlar la admisión de vapor a las

toberas. A su vez, estas válvulas están controladas por un regulador y,

por lo general, se añaden más etapas (de toberas y de ruedas) para poder

alcanzar una utilización eficiente de toda la energía presente en el vapor.

Hay muchas razones por las cuales pueden introducirse otras

modificaciones pero, básicamente, una turbina consta solamente de dos

elementos: primero, las toberas y segundo, el rotor.

Piezas Principales de una Turbina

La turbina está compuesta por una serie de piezas principales:

Una válvula de cierre de vapor de emergencia o válvula de cierre

rápido, en capacidad de cerrarse en aproximadamente medio segundo o

menos, para cerrar o interrumpir en forma segura y automática el

suministro de vapor cuando se desee o debido a emergencias tales como

una sobrevelocidad excesiva.

Válvulas de control para regular el flujo del vapor de acuerdo a los

requerimientos, manteniendo una velocidad prácticamente constante

para cualquier variación de carga, dentro de la capacidad de la turbina.

Page 49: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

56

En todo momento durante la operación normal de la turbina, las válvulas

de control están bajo control automático por parte del regulador de

velocidad.

Un conjunto rotor que absorba la energía presente en el vapor y la

convierta en potencia rotatoria.

Carcasas estacionarias, para contener al vapor y guiarlo a la

velocidad y dirección más efectivas a través de las etapas rotatorias

Cojinetes principales para soportar al rotor y permitir la rotación

en una posición dada, contra las fuerzas de empuje del vapor.

Un acoplamiento adecuado para transmitir la potencia rotatoria al

equipo impulsado.

Características Básicas De Las Turbinas

Las principales características observadas en una turbina son las

siguientes:

El paso cuadriculado representa el paso deseado para todo el flujo

de vapor. Al Observar la corredera de empuje y los álabes de la turbina;

Estos constituyen piezas claves del conjunto del rotor de la turbina. El

extremo delantero o de alta presión del eje de la turbina se utiliza para

Page 50: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

57

impulsar dispositivos claves, tales como el regulador de velocidad, el

disparo por sobrevelocidad y la bomba de aceite. Las válvulas de control

se abren contra una presión de resorte.

La cámara de vapor de la turbina se mantiene a la presión y

temperatura plena de la línea de vapor.

La carcasa de la turbina tiene una estructura de pared del espesor

relativamente grande, llegando a tener un espesor relativamente delgado

en el extremo de escape. En la práctica, esto conduce a la presencia de

piezas fundidas para la alta presión y casco de baja presión hechos de

materiales diferentes y con conexiones apernadas.

La estructura de pared más delgada y más flexible en el extremo

de escape se traduce en el hecho que este extremo de la turbina nunca

debe ser sometido a la presión completa de vapor ni a ninguna presión

de vapor apreciablemente superior a la presión de diseño para el extremo

de escape de la turbina. Es necesario utilizar válvulas de alivio para

proteger al extremo de escape de la turbina contra una sobre presión

causada por un error o accidentalmente.

En la práctica, las turbinas rara vez se aplican a cargas donde la

turbina pueda encontrar su velocidad más eficiente. Por lo general, la

Page 51: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

58

velocidad de la turbina tiene que ser mantenida constante y eso se logra

por medio de un regulador de velocidad que ajusta el flujo de vapor a la

carga que debe ser impulsada.

2.3.1 TIPOS DE TURBINAS

Se han desarrollado diferentes tipos de turbinas para así

lograr cubrir las múltiples aplicaciones en las cuales se utilizan estas

unidades.

En general, las turbinas se clasifican como “de

condensación" o “de no-condensación”. Las unidades de condensación

están equipadas con condensadores que les permiten operar bajo

contrapresiones por debajo de la presión atmosférica; las unidades de no

condensación operan con contrapresiones por encima de la presión

atmosférica. Las turbinas tipo de condensación casi siempre se utilizan en

plantas generadoras de potencia; en las Fig. 5, se presenta la turbina de

condensación típica utilizadas en el mercado de los servicios públicos.

que se utilizan típicamente en aplicaciones industriales,

fundamentalmente para suministrar vapor de proceso.

Page 52: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

59

FIGURA No 5

Corte seccional de una Turbina de condensación y sus partes

Fuente: T. Baumeister (1990)

Las unidades de condensación se utilizan tanto para

suministrar vapor de proceso como para generar potencia

simultáneamente. Además, existen muchas otras variaciones de turbinas.

Page 53: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

60

En algunas turbinas, el flujo de vapor estrangulado pasa a

través de la máquina hasta llegar al escape. En otras, parte del vapor es

retirado de la unidad después de haber experimentado un cierto grado de

expansión; a estas unidades se les llama turbinas de "extracción" o

turbinas de "purga" Fig.6. En una máquina de extracción sencilla, existen

una o más etapas con orificios de un tamaño fijo a través de los cuales es

posible retirar o extraer el vapor, en la mayor parte de los casos para

utilizarlo en el calentamiento del agua de alimentación.

La presión de este vapor extraído varía en proporción

directa con el flujo estrangulado y naturalmente, las etapas que lo

suministran deben tener una capacidad de reserva sumamente amplia pa-

ra no interferir con la operación normal de la turbina. En los casos donde

el vapor extraído tiene que estar bajo una presión constante, como sucede

en los trabajos de proceso, se requiere alguna forma de control

automático de la presión.

Las máquinas equipadas con estos dispositivos se llaman, a

menudo, turbinas de "extracción automática", a diferencia de las

Page 54: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

61

máquinas de "extracción sencilla no controlada" que acabamos de

describir. En una máquina de extracción automática, la sección que se

encuentra inmediatamente después del orificio de extracción, se

encuentra separada de la sección que la precede y el flujo de vapor entre

ambas está regulado por una válvula que se encuentra bajo control

automático.

La fig.6 muestra una unidad de extracción automática

única, donde se puede observar en la parte central superior la válvula

de extracción única; en otros casos, resulta ventajoso dividir a la turbina

en dos secciones, haciendo pasar al vapor de escape de la sección de alta

presión a través de un recalentador para restaurarle su temperatura inicial

antes de que sea sometido a expansión a través de una sección de baja

presión.

Estas turbinas se conocen con el nombre de "turbina de

recalentamiento". Una situación relativamente similar existe en las

turbinas de "flujo opuesto". En dichas unidades, el vapor se aplica

primero a una sección de un rotor y, posteriormente, este mismo vapor es

recalentado y aplicado a una segunda sección del mismo rotor.

Page 55: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

62

FIGURA No 6

Turbina de no condensación y extracción.

Fuente: T. Baumiester (1990)

A medida que el vapor pasa entre las diferentes secciones,

por lo general se añade calor a partir de un recalentador. Además de

brindar una excelente utilización del calor generado por la planta, los

diseños de flujo opuesto ofrecen ciertas ventajas con relación a la

Page 56: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

63

fabricación espalda-contra-espalda y los costos involucrados, todas las

turbinas pueden ser clasificadas como de "carcasa única" o "carcasa

compuesta".

Tal y como su nombre lo indica, una turbina de carcasa

única tiene un paso de vapor único desde la estrangulación hasta el

escape, "Carcasa compuesta" significa una estructura en la cual el vapor

sale de la carcasa de alta presión antes de que se haya completado la

expansión y pasa entonces a través de una o más carcasas de baja

presión.

Cuando todas las secciones están alineadas sobre el mismo

eje (o línea de los centros) se dice que las mismas se encuentran en

"tándem", dando así origen al término "compuesta en tándem". En el

caso de una unidad "compuesta cruzada" estamos en realidad hablando

de dos unidades diferentes, con los extremos de, vapor de las dos

unidades en serie y los generadores en paralelo.

Turbinas Multietapas

Como no resulta práctico construir una turbina de rueda

única lo suficientemente grande y eficiente para la mayoría de las

Page 57: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

64

aplicaciones comerciales, vamos a examinar las características de diseño

fundamentales del tipo de etapas múltiples que se utiliza generalmente.

Las turbinas General Electric son fundamentalmente

turbinas tipo de "impulso". Una vez más, la característica propia de la

turbina de impulso es que los cambios de expansión y presión tienen

lugar solamente en las partes estacionarias a diferencia de la turbina tipo

de "reacción", en la cual una parte sustancial de la expansión del vapor

tiene lugar en las partes móviles. Las turbinas de impulso están

caracterizadas por la estructura tipo diafragma y rueda.

Las turbinas de impulso pueden ser diseñadas para que

operen en dos formas básicas: de "velocidad" compuesta y/o "presión"

compuesta. La turbina incorpora ambas disposiciones con fines

didácticos; en realidad, la mayor parte de las unidades más grandes de la

General Electric son de "presión" compuesta. Significa que la primera

etapa tiene una hilera de toberas seguida por una doble hilera de álabes

montados sobre una rueda, con una segunda hilera de toberas en el medio

de la doble hilera. El vapor a alta presión entra a través de la válvula,

pasa a través de la primera hilera de toberas y golpea la primera hilera de

álabes; aproximadamente la mitad de la velocidad del flujo es absorbida

Page 58: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

65

aquí. El vapor es entonces de nuevo dirigido y orientado a través de las

toberas que se encuentran en el medio de la doble hilera de álabes, y de

ahí hacia la segunda hilera de álabes (en movimiento). La acción hasta

este punto se llama composición de "velocidad" (o algunas veces,

"establecimiento de etapas Curtís").Las etapas restantes operan como

resultado de la "presión" presente en el vapor. Como una hilera de

toberas y la hilera de álabes asociada con ella, son consideradas como

una etapa de presión.

El vapor en expansión simplemente prosigue a través de

cada una de estas etapas remanentes, y al hacerlo choca contra las ruedas

de álabes imprimiendo así un movimiento de rotación al eje principal.

Debemos observar que las ruedas de álabes y los diafragmas se van

haciendo progresivamente mayores hacia el extremo de escape), para así

poder manejar al vapor en expansión sin limitar el flujo. Las piezas de

mayor tamaño hacen un uso más eficiente de la masa en aumento y de la

presión en disminución del vapor a medida que éste avanza. Al final de

su recorrido la energía presente en el vapor está casi totalmente agotada

y el vapor regresa al ciclo de agua de alimentación para el recalenta-

miento.

Page 59: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

66

Esta disposición general representa sólo uno de los muchos

tipos de diseños de impulso posibles. El tipo y el número de etapas, así

como la forma y tamaño de los álabes de las turbinas comerciales

dependen, entre otras cosas, de la presión y temperatura del vapor de

entrada, de la presión de escape, de la velocidad y de la salida o

producción.

2.3.2 ELEMENTOS DE SOPORTE DE TURBINAS

Hasta ahora, nos hemos ocupado principalmente de las

toberas y de los álabes. A pesar de que los mismos representan el corazón

de cualquier turbina, existen una serie de elementos adicionales que son

necesarios para constituir una unidad completa y en capacidad de ser

aplicada en una planta de potencia. El rotor de la turbina y las ruedas de

álabes rotan como una unidad para así proporcionar el movimiento de

torsión necesario para el rotor del generador. La carcasa o casco es el que

sostiene o soporta a la unidad del rotor, y a su vez encierra o contiene al

vapor y suministra el marco estructural para la turbina. Además la

carcasa mantiene a los diafragmas estacionarios de toberas en modo tal

Page 60: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

67

que queden incluidos entre las ruedas de álabes rotatorios sin que entren

en contacto con dichas piezas móviles.

En cada extremo de la turbina, se encuentra una chumacera

de metal blando que soporta y contiene al eje principal de grandes

dimensiones, en modo tal que pueda rotar a velocidades elevadas sin que

salte y se salga de la carcasa. En un extremo del eje, está montado un

cojinete de empuje que mantiene la posición axial del eje (de izquierda a

derecha); las condiciones del cojinete de empuje representan un factor

muy importante en cuanto a evitar que los miembros rotatorios puedan

golpear o presentar un roce contra las piezas estacionarias.

Para minimizar y controlar la filtración o escape de vapor,

se requieren diferentes sellos o casquillos a nivel de los orificios del

diafragma y en los extremos de la carcasa. Además, debe proporcionarse

un sistema de lubricación para las partes móviles. Para controlar la ad-

misión del vapor se utiliza, por lo general, una válvula de estrangulación

o de cierre, una cámara de vapor, válvulas de admisión de vapor, un

engranaje de válvula y un regulador. Para proteger a la unidad contra

sobrevelocidad excesiva, se requiere el uso de un regulador de

sobrevelocidad y de un mecanismo de disparo.

Page 61: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

68

2.3.3 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DEL TURBO-

GENERADOR

Un turbo-generador convierte la energía calórica del vapor

en potencia eléctrica que puede ser utilizada más fácilmente. El turbo-

generador realiza esto en dos pasos: primero, la energía del vapor es

transformada en potencia mecánica (rotación) en la turbina y, en segundo

término, esta potencia mecánica es convertida en potencia eléctrica en el

alternador.

RESEÑA HISTÓRICA DE LA CENTRAL

TERMOELECTRICA PLANTA “RAMÓN LAGUNA”.

En el año 1888, el Sr. Jaime Felipe Carri1lo interesado en el

alumbrado vial, propone al entonces Presidente de la República, cambiar

el alumbrado existente en alumbrado de arco. Es entonces cuando se

dirige a la ciudad de New York, Estados Unidos, en busca de un

generador y elementos necesarios para el alumbrado, instalándose en

Maracaibo el 24 de Octubre de 1888, pero alimentando inicialmente sólo

las Plazas Bolívar y Baralt, dando inicio así a una empresa de electricidad

local.

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69

El Sr. Carrillo regresa de New York, es entonces cuando en

1889 la empresa pone en servicio, el alumbrado público con lámparas de

arco y servicios particulares con alumbrados incandescentes. La

empresa fue fundada con el nombre de "The Maracaibo Eléctric Light

Co.", formada inicialmente por 28 personas y los generadores que se

empleaban eran movidos por gas pobre, obtenido a través de calderas de

carbón.

Los dueños de esta empresa no pueden soportar la demanda

y resuelven vender a una compañía extranjera, la cual cambia el nombre

a "Venezuela Power Company".

En el año 1926 son instaladas dos plantas térmicas a vapor

con una capacidad. de 1 500 Kw, en el sector llamado La Arreaga. Para

el año 1940 se cambia el nombre a C.A. ENERGÍA ELÉCTRICA DE

VENEZUELA, y es esa época cuando comienza a expandirse a los

distritos, zonas agrícolas y ganaderas.

En el mes de julio de 1955 se instala en el sector Arreaga

una nueva unidad (8 RL) con una capacidad de 25 MW del tipo turbina

de vapor fabricada por la Brown Boveri.

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70

En el mes de marzo de 1958 se instala una nueva turbina de

vapor con la misma características de la anterior. Para el año siguiente se

instala otro tipo de turbina a gas con una capacidad de 21.8 Mw. Para el

año 1960 se instala la unidad 1ORL del tipo turbina a vapor con una

capacidad de generación de 66Mw. Seis años más tarde se instala la

unidad 11 RL, con la misma características de la unidad 1ORL.

Para el mes de noviembre de 1968 se pone en

funcionamiento una nueva estación conocida como Planta Concepción, la

cual comienza con una turbina a gas con una capacidad de 14.75 Mw y al

año siguiente se instala una con las mismas características. En 1970 son

instaladas dos nuevas unidades del tipo turbina a gas, la cual duplicó la

capacidad de generación y por ende la capacidad de servicio de esta

estación.

En el mes de julio 1972 es puesta en funcionamiento

una nueva estación conocida como Planta Rafael Urdaneta, la cual

comienza a trabajar con una turbina a gas con 31.8 Mw. Para finales de

1972 ENELVEN contaba con una capacidad instalada de 401795 kw,

127455 suscriptores y una demanda máxima de 22500 kw.

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71

En los años sucesivos ENELVEN fue adquiriendo nuevas

unidades en la medida en que las exigencias de la región fueron

aumentando, observándose nuevas unidades tanto en la Planta

Concepción como en La Planta Ramón Laguna y Rafael Urdaneta.

Para el año 1976 el Estado venezolano adquiere las acciones

de la empresa, que estaban en manos de compañías extranjeras,

nacionalizándose así la industria eléctrica del país.

En la planta Ramón Laguna es instalada en el mes de

octubre en 1979 una nueva turbina a vapor (13 RL, mucho mayor que las

anteriores, con una capacidad de generación de 87 Mw, al año siguiente

se instala la unidad 14RL, idéntica a la anterior, lo que le da a la Planta

una gran capacidad de generación y la convierte en el principal centro de

generación de ENELVEN.

La capacidad de suscriptores servidos para 1981 fue de

215671 y su capacidad instalada de 922.834 Mw, registrándose una

demanda máxima de 633.800 Mw.

La central termoeléctrica Ramón Laguna cuenta, además,

con tres unidades turbogeneradoras 15/16 y 17 RL de 165 Mw cada una,

lo cual incrementa en un alto porcentaje la capacidad de la planta.

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72

2.4 REVISIÓN DE LA LITERATURA Con el objetivo de sustentar el diseño del sistema de Control

Coordinado Caldera y Turbina se analizaron las investigaciones previas

relacionadas de cierta forma con el objetivo general de esté proyecto de

investigación.

En primer lugar se reviso el trabajo especial de grado de los

Ingenieros Pascazi y Arias (1986) titulado: Implementación de un

Sistema de Enseñanza para el sistema de Control de Motores Bailey 861,

de las Unidades RL-13/14de ENELVEN, la implementación del sistema

de enseñanza comprende la revisión y estudio de la información existente

del sistema de tarjetas de control de los motores Bailey 861, se obtuvo

como resultado un manual que presenta con claridad el funcionamiento

de los diferentes motores, los diagramas de flujo y lógica para el arranque

y parada de los motores de las bombas y ventiladores, además del abrir y

cerrar las diferentes válvulas.

En segundo lugar se reviso el trabajo especial de grado del

Ingeniero Blequett (1987) titulado como: Estudio e implementación de

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73

un sistema de aprendizaje para el Sistema de Control de Quemadores

Bailey 860 de las Unidades RL- 13/14 de ENELVEN, el cuál tuvo como

resultado la elaboración de un manual accesible para más fácil

entendimiento y comprensión del sistema de control de quemadores

Bailey 860 de las calderas RL- 13/14. En este trabajo el autor concluye

que el sistema Bailey 860 realiza el encendido automático de los

quemadores, a través de la lógica manejada por tarjetas electrónicas que

componen el hardware de esté sistema.

El trabajo especial de grado de los Ingenieros Chacín y Urdaneta

(1994), ellos realizaron el trabajo titulado: Sustitución del sistema de

control Bailey 861 por un sistema de control Network 90 en las

unidades 13/14 RL de ENELVEN, teniendo como resultado las

evaluaciones de ingeniería de detalles para llevar a cabo el reemplazo del

sistema de control Bailey 861 usado en el control de Bombas,

Ventiladores y Calentadores de las Unidades de generación RL-13/14,

por el modelo del sistema de control Network 90 de la misma firma

Bailey.

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El trabajo especial de grado de los Ingenieros Jimenez U. Eliezer,

Fernandez Carruyo, realizado en el año (1996), titulado:

Reinstrumentación del Sistema de Control de las Calderas RL-13/14 de

la Central Termoeléctrica Planta Ramón Laguna, cuyo trabajo consistió

en Realizar un estudio y mejoras necesarias para reemplazar el sistema de

control neumático de las unidades de generación RL-13/14, por un

sistema de control distribuido de tecnología Electrónica – Digital.

2.5 DEFINICIÓN DE TERMINOS BASICOS

A continuación se definirán una serie de terminos, que se

manejarán a lo largo de esté proyecto de Investigación:

Alabes: Elemento de una turbina destinado a recibir la energía

cinética de la corriente de fluido y transmitirla a un disco o a un rodete

sobre el cuál van montados los álabes. ( Enciclopedia de la ciencia y

técnica 1987).

Combustible: Es toda sustancia capaz de experimentar

combustión en su mezcla. ( Enciclopedia de la ciencia y técnica 1987).

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75

Control: Proceso que verifica y comprueba que la ejecución se

está llevando a cabo según lo planificado. ( Enciclopedia de la ciencia y

técnica 1987).

Controlador: Dispositivo que opera automáticamente para

regular una variable de control. ( Enciclopedia de la ciencia y técnica).

Generador: Es el encargado de transformar la energía mecánica

de la turbina en energía eléctrica. ( Manual del instrumentista cepet).

Interface: Es un circuito que sirve para acoplar dos integrados de

diferentes tecnología. (Manual de consulta electrónica facil).

Quemador: Es el equipo encargado de atomizar el combustible

para su ignición. Pueden ser de gas o de petróleo. ( Manual de

operaciones Bailey 1988).

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Tobera: Es el elemento de paso de un fluido hacia el espacio

atmosférico. ( Enciclopedia de la ciencia y técnica 1987).

2.6 VARIABLES DE ESTUDIO

2.6.1 SISTEMAS DE CONTROL: Es aquel que puede regular

su modo de operación en relación a los cambios de las variables externas

que intervienen sobre él. Esto lo realiza en tres fases diferentes:

Medición, Evaluación y Control. En la medición se verifica la magnitud

de las variables físicas, en esta parte del sistema se produce la

retroalimentación. En la evaluación se hace una revisión de la

información encontrada para activar acciones correctivas y el control es

la acción resultante de las fases anteriores. Ogata (1993, p 56),

operacionalmente el sistema es capaz de mantener la variable de salida

del generador (Megavatios) de las unidades de generación de la Planta

Ramón Laguna automáticamente dentro de un rango preestablecido por

el operador, ajustando y manteniendo constante la presión de salida de

las calderas para cualquier rango de carga de la turbina.

Page 70: CAPITULO II MARCO TEÓRICO TEORICA

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2.6.2 CALDERAS: Son dispositivos utilizados para calentar

agua y generar vapor a una presión muy superior a la atmosférica. Las

calderas se componen de un compartimento donde se consume el

combustible o se produce la combustión y otro donde el agua se

convierte en vapor. A. Eugene (1990, p 150), operacionalmente es una

unidad con capacidad de 800000 lbs/hr (libras por horas) con 950 grados

F, y 1310 psig (libras por pulgadas cuadradas) condiciones del vapor de

salida que posteriormente se le introduce a la turbina de la Planta Ramón

Laguna para su funcionamiento, está provista de 6 (seis) quemadores

para quemar gas natural, el hogar es completamente enfriado por agua

para separarlo del paso posterior del generador de vapor y el

sobrecalentador es diseño colgante y sin drenaje teniendo dos secciones

de alta y baja temperatura con atemperación entre etapas para el control

de la temperatura del vapor de salida.

2.6.3 TURBINAS: Son equipos diseñados para convertir la

energía térmica proveniente del vapor en energía mecánica rotativa. La

forma fundamental de la turbina es de impulso que deriva su nombre del

hecho que el miembro rotatorio es empujado por la fuerza del vapor que

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choca contra los álabes de la misma. T. Bauimenster (1990, p 435),

operacionalmente es una unidad de condensación directa y flujo

individual de la Planta Ramón Laguna, con capacidad para transformar la

energía térmica del vapor en 87 Megavatios (Mw) de potencia a la salida,

la presión de vapor inicial es 1310 psig (libras por pulgadas cuadradas) y

está compuesta por álabes de 26 pulgadas en la última etapa, sellos a

vapor, soportes de empuje y controles mecánicos hidráulicos para su

funcionamiento.