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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMA DE CONTROL ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO

INDICE 1

CONTROL DE CENTRALES TÉRMICAS

SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TÉRMICAS

ÍNDICE DE MATERIAS

1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DERECIRCULACIÓN. CALDERAS CON CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1. CONTROL DE COMBUSTIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.1. FORMACIÓN DE LA DEMANDA DE CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.2. SISTEMAS DE CONTROL DE COMBUSTIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.3. LIMITACIÓN DEL COMBUSTIBLE POR EL AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.4. CONTROL DE COMBUSTIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.5. CONTROL DEL AIRE DE COMBUSTIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.6. CONTROL DE LA CANTIDAD DE EXCESO DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . 112.2. CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.1. CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR CON

PROTECCIÓN CONTRA IMPLOSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN . . . . . . . . . 172.3.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN

DE UN ELEMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3.2. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN

DE DOS ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN

DE TRES ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.4. CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO.CALDERAS SIN CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN

CALDERAS SIN CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2. CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA

CALDERA DURANTE LOS PERIODOS DEARRANQUE Y CARGAS BAJAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

SISTEMAS DE CONTROL DE LAS TURBINAS DE VAPOR UTILIZADAS ENCENTRALES TÉRMICAS

4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1. REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.1. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA,


INDICE 2

DE TRANSMISIÓN MECÁNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.2. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA

DE TRANSMISIÓN MECÁNICA-HIDRÁULICA.CORREDERA DE DISTRIBUCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1.3. REGULACIÓN SECUNDARIA. DISPOSITIVODE AJUSTE DE VELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.4. REGULADOR HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2. REGULADORES ELÉCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5. CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6. REPARTO DE LA VARIACIÓN DE POTENCIA DE UN SISTEMAELÉCTRICO ENTRE LOS TURBOGENERADORESQUE TRABAJAN SOBRE ÉL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

7. UTILIZACIÓN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LAREGULACIÓN ELECTRÓNICA DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

8. PROTECCIONES DE UNA CENTRAL TÉRMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8.1. PROTECCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA) . . . . . . . . . . . . 58

8.2. PROTECCIONES DE TURBINA: DISPOSITIVOS DE DESCARGAY DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.1. DISPOSITIVOS DE DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.2. DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE BAJO VACÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.3. DISPOSITIVOS DE DESCARGA POR BAJA PRESIÓN DE VAPOR . . . 618.2.4. DISPOSITIVOS DE DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.5. DISPARO POR SOBREVELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.6. DISPARO POR FALLO DE ACEITE DE LUBRICACIÓN . . . . . . . . . . . . 629.2.3. DISPARO POR FALLO DEL COJINETE DE EMPUJE . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.7. DISPARO POR BAJO VACÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.8. DISPARO POR FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR

COMO MOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.9. DISPARO MANUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

9. LOS SISTEMAS CENTRALIZADOS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10. SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

11. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) Y CONTROLAUTÓMATA LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

12. SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO (APC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67


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1. INTRODUCCIÓNUn factor esencial en la explotación de una central térmica de generación de energía

eléctrica, es la necesidad de seguir los cambios de la demanda de carga del sistema a que estáconectada.

Al aumentar la demanda de carga de un sistema, ha de aumentarse la potencia que lascentrales están generando sobre el mismo. Como la electricidad no se puede almacenar en formaeconómica, es preciso producirla al mismo tiempo que se demanda.

El objetivo de la función de control de la central es igualar la producción de energía conla demanda de carga.

El método más sencillo de control global de la unidad es el modo de caldera sigue aturbina. En este modo, como su nombre indica, la caldera sigue los cambios de carga que seinician, en primer lugar, en las válvulas reguladoras de la turbina. Por ejemplo, un aumento enla demanda de carga hará que el regulador abra inmediatamente las válvulas de control, dejandopasar más vapor a la turbina. Esto produce un aumento del caudal de vapor y una disminuciónde la presión. El sistema de control de la caldera percibe la disminución en la presión del vapor,y responde aumentando las entradas de combustible, aire y agua a la caldera. A medida queaumenta el régimen de estas entradas, se recuperará la presión de vapor y se estabilizará en elpunto de ajuste.

Este método se halla todavía en uso en un gran número de centrales térmicas antiguas,y permite una respuesta rápida a los aumentos de la demanda de carga.

Una modalidad más refinada de control de la unidad, mediante la que es posible unaregulación más estrecha de la presión del vapor, es el modo turbina sigue a caldera. En estemétodo, se inicia un aumento en la demanda de carga ajustando el régimen de entrada de aire ycombustible en la caldera. Como resultado, aumentará la presión de vapor en válvulasreguladoras. El controlador de presión de vapor en el sistema de regulación de la turbina percibeeste aumento de presión, y abre las válvulas reguladoras de la turbina para que entre más vapor.En esta disposición, la turbina actúa como dispositivo regulador de presión para la caldera.

Este método de control, debido a que la caldera responde con relativa lentitud a loscambios de combustión, limita realmente los cambios rápidos de carga.

Frecuentemente se usa una combinación de los dos sistemas anteriormente descritos,llamada sistema de control integrado o coordinado para proporcionar el control óptimo en launidad. Este método combina los dos anteriores y da una respuesta rápida a los cambios decarga, con una relativa estabilidad de la presión del vapor.

2. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE RECIRCULACIÓN.CALDERAS CON CALDERÍNEstudiaremos el control de calderas con recirculación, es decir, de calderas con calderín.

El principio de funcionamiento de este tipo de calderas se trata en los distintos capítuloscorrespondientes al generador de vapor.

En lo que respecta a la regulación, la caldera con calderín y circulación natural presentalas siguientes características a tener en cuenta:


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Figura 1: Esquema de los controles más importantes de una caldera

- La altura del nivel del agua en el calderín es una magnitud representativa del agua dealimentación a introducir en la caldera (el caudal de agua debe ser igual al de vapor si sedesea mantener constante el nivel).- El hecho de que el calderín esté situado después de las superficies vaporizadoras y antesdel sobrecalentador, resulta favorable para la regulación de la temperatura del vapor, yaque esta disposición hace que las variaciones de caudal de agua de alimentación ejerzanpoca influencia sobre el caudal de vapor.- Al ser las zonas de sobrecalentamiento fijas (la zona de separación agua/vapor está

perfectamente localizada en el calderín) y predominar en las calderas el calentamientopor convección, la respuesta natural de la caldera respecto a la temperatura estará ligadaa la temperatura y volumen de los gases de combustión, por lo que no se podrá alcanzarel set point para cargas inferiores al 40 % o 50 % de la nominal.- Debido al gran volumen del calderín y de las superficies vaporizadoras, la capacidad


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Figura 2: Formación de la señal de demanda de caldera

térmica de la caldera es grande, lo que permite compensar la inercia del sistema antevariaciones de carga.Estas calderas emplean, para su regulación, los tipos de controladores expuestos en los

principios básicos de control.Los cuatro sistemas más importantes en la regulación de una caldera con calderín son las

representadas en la figura 1 en la que:

R1 es sistema regulador de la presión de vapor o control de combustión.

R2 es sistema de control de la presión del hogar.

R3 es sistema de control de la temperatura del vapor.

R4 es sistema de control del caudal de agua de alimentación.


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Figura 3: Sistemas de control de combustión en serie (a) y en paralelo (b)

2.1. CONTROL DE COMBUSTIÓNEl objetivo del control de combustión de una caldera es el de satisfacer la demanda de

vapor de la turbina mediante la regulación de la cantidad de combustible y aire introducido en

el hogar, para que en todo momento exista un equilibrio entre producción y consumo,manteniendo unas condiciones de operación seguras y eficientes.

2.1.1. FORMACIÓN DE LA DEMANDA DE CALDERASe utiliza la presión del vapor por ser la variable más representativa del funcionamiento

del sistema, permitiendo al sistema de combustible detectar y anular cualquier desequilibrio entrelas entradas y salidas de la caldera.

Ante un aumento de demanda de vapor de la turbina, el proceso que tiene lugar es elsiguiente:

- Aumenta la apertura de las válvulas de control de la turbina.- Aumenta el caudal de vapor y se produce una disminución de la presión. Como se verámás adelante, resulta afectado el nivel del calderín.- La respuesta del sistema de control a estas variaciones, será producir un aumento delcaudal de agua de alimentación y un aumento del caudal de combustible, provocándosecon ello una liberación de calor suplementaria. Este calor es suficiente para ocasionar unaumento de la producción de vapor que equilibre la demanda y restablezca la presión.Aunque la presión de vapor es suficiente por sí sola, para detectar desequilibrios en el

sistema, se suele añadir una segunda variable que haga más rápida la respuesta y que acostumbraa ser el caudal de vapor configurado como una señal de anticipación (ver apartado de control encascada con anticipación en principios básicos de control).

De esta forma se posibilita, durante los cambios de carga, que el combustible y el aire seadapten a la nueva carga, de la cual el caudal de vapor es una perfecta imagen, sin necesidad de


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Figura 4: Diagrama de un sistema de control posicionaldirecto

esperar a que se produzcan errores de presión, siendo éstos los que originarán un ajuste finoposterior de la combustión si la cantidad anticipada no fuese exacta.

El diagrama de la figura 2 representa la formación de la señal indicativa de la carga de

caldera conocida como señal de demanda de caldera. Puede verse cómo a la salida del reguladorP+I, cuya entrada es el error de presión, se le suma la señal de anticipación constituida por elcaudal de vapor.

2.1.2. SISTEMAS DE CONTROL DE COMBUSTIÓNExisten dos sistemas de control de combustión: sistemas de control en serie (figura 3a)

y sistemas de control en paralelo (figura 3b).

Sistemas de control en serieEn este tipo de sistemas la señal de demanda de caldera origina cambios en el caudal de

aire (variable controlada primaria), que a su vez producen un cambio posterior del caudal decombustible (variable secundaria).

Este tipo de sistemas se emplea en calderas que necesitan subir carga rápidamente ybajarla de forma más lenta. Lo contrario ocurre cuando es el combustible la variable controladaprimaria. Este tipo de control está limitado a calderas pequeñas.

Sistemas de control en paraleloLa señal de demanda afecta simultáneamente tanto al combustible como al aire. Es un

método muy común para cualquier tipo y tamaño de calderas.


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Figura 5: Diagrama de un sistema de control en serie con mediciones

El desarrollo de estos sistemas puede realizarse por dos procedimientos fundamentales:el control posicional directo y el control con mediciones de realimentación.

En el control posicional directo, tal como se puede ver en la figura 4 la señal de demandade caldera posiciona directamente los elementos de alimentación de combustible y de aire, y laúnica realimentación que existe en el sistema es la de la presión, que modificará la demanda si

la posición de los elementos finales no hubiese sido la correcta. La relación entre aire ycombustible se fija mediante la estación selectora dispuesta para este fin.

En los sistemas de control con mediciones de realimentación, tal como se puede ver enlas figuras 5 y 6, la demanda de caldera o demandas de combustible y aire, se comparan con losvalores reales medidos de ambas variables, siendo los errores entre demanda y valor instantáneolos que, después de ser tratados en controladores de acción P+I, posicionan los elementos finalescorrespondientes.

Los sistemas de medición pueden aplicarse a sistemas de control en serie (figura 5) o a


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Figura 6: Diagrama de control en paralelo con mediciones

sistemas de control en paralelo (figura 6), siendo esta última combinación la más utilizada, alofrecer una respuesta más rápida entre cambios de carga, ya que las correcciones de combustibley aire se hacen de forma simultanea.

2.1.3. LIMITACIÓN DEL COMBUSTIBLE POR EL AIRELos sistemas de control que se han visto hasta ahora no garantizan una operación segura

durante regímenes transitorios, en los que fácilmente pueden crearse condiciones de defecto deaire y por tanto de combustible inquemado y consecuente riesgo de explosión.

Esta situación puede evitarse mediante una estrategia conocida como “de limitacióncruzada”, un esquema de la cual se representa en la figura 7.

Mediante una selectora de máxima y otra de mínima se consigue un efecto de adelantode aire respecto al combustible en las subidas de carga y otro de retraso en las bajadas.

El selector de máxima elige como salida la mayor entre las señales de demanda decaldera y caudal de combustible, utilizándose dicha salida como punto de consigna para el aire.El selector de mínima lo hace entre la misma señal de demanda y el caudal de aire formando el


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Figura 7: Diagrama de control en paralelo con medición y limitación cruzada

punto de consigna del combustible.El sistema está ajustado de forma que las señales que llegan a los electores, en

condiciones de carga estable, sean iguales. Cuando la demanda de caldera aumenta, la señal nopuede prosperar a través del selector de mínima pero si a través del de máxima, por lo que el

primero aumenta el caudal de aire y como consecuencia el de combustible. Por el contrario,cuando la demanda disminuye, el punto de consigna para el aire sigue siendo, a través delselector de máxima, el valor real del combustible, por lo que no disminuye, pero si lo hace elpunto de consigna para el combustible por el selector de mínima. Con este sistema se consiguedisminuir en primer lugar el combustible y el aire disminuirá sólo después de hacerlo aquel.

2.1.4. CONTROL DE COMBUSTIBLE


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Figura 8: Diagrama de control de combustible

En la figura 8 se representa la disposición más utilizada en Centrales Térmicas conhogares de carbón pulverizado y que además utilizan fuel-oil como combustible de apoyo.

A la señal de combustible generada como salida del selector de mínima del circuito deselección cruzada, figura 7, se le resta la señal de caudal total de carbón para producir lademanda de fuel-oil.

La demanda de combustible se compara con el caudal total de combustible (carbón +fuel-oil). La señal de error del combustible total que se obtiene se le aplica el controlador P+I


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Figura 9 : Diagrama de control del aire con mando directo

en el regulador principal, cuya salida constituye, a su vez, la demanda para cada molino. Estademanda, en los lazos de control de cada uno de los molinos en servicio, se compara con elcaudal de carbón que esté saliendo del mismo, constituyéndose una nueva señal de error, queserá a su vez la entrada del regulador de demanda del molino, que posicionará el elemento final,que puede ser la compuerta de aire de transporte que se introduce en el pulverizador paraarrastrar el carbón hasta el hogar o el variador de velocidad del alimentador, según el tipo demolino.

Un tratamiento similar se realiza para la demanda de fuel-oil, controlándose la posición


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Figura 10: Oxígeno en función de la carga y pérdidas en función del exceso de aire

de la válvula que alimenta a los quemadores.

2.1.5. CONTROL DEL AIRE DE COMBUSTIÓNSe distinguirá entre:

- Control del aire con mando directo, empleado en instalaciones en las que lascompuertas de distribución de aire a cada mechero o grupo de mecheros tienen unaposición fija. El control (figura 9) actúa directamente sobre las compuertas de aspiraciónde los ventiladores de tiro forzado para conseguir el caudal de aire demandado enprincipio, por medio de una señal de anticipación y ajustado posteriormente a su valorexacto mediante el regulador principal de aire, que actúa sobre el error entre la demandade aire y su valor real.

Existe una selectora principal desde la cual se puede actuar manual ysimultáneamente sobre los dos ventiladores y una selectora para mando individual decada ventilador con posibilidad de cargar más un ventilador que otro (bias)- Control del aire con mando sobre las compuertas que suministran el aire a losquemadores. En estas instalaciones el control principal de aire se efectúa actuando sobrelas compuertas de regulación existentes en los conductos que suministran el aire a losquemadores. La configuración es totalmente similar a la estudiada anteriormentenecesitándose, además, mantener una presión determinada, normalmente en función de

la carga, en la impulsión de los ventiladores de tiro forzado.

2.1.6. CONTROL DE LA CANTIDAD DE EXCESO DE AIREEl control del exceso de aire es importante desde el punto de vista de optimizar el

rendimiento de la caldera. En los capítulos sobre combustión ya se ha visto como es necesarioun exceso de aire para que tenga lugar la combustión completa del combustible. En primer lugarpara conseguir una buena mezcla entre combustible y aire y en segundo lugar para evitarcondiciones de defecto de aire que provocaría una combustión incompleta. El operador debepoder actuar sobre la señal real de aire, haciéndola mayor o menor, según sea necesario bajar o


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Figura 11: Diagrama de control del exceso de aire

subir la cantidad de aire en el hogar, en función de la medida de oxígeno que corresponda.La cantidad de exceso de aire necesario es dependiente de la carga de la caldera (figura

10), cuando esta es baja el exceso de aire debe de ser mayor, ya que al ser menor el caudal deaire su velocidad de salida por los quemadores disminuye y la mezcla aire-combustible empeora.

Al quemar con más aire se contrarresta esta situación. A cargas altas, el exceso de aire puede sermenor ya que la velocidad es suficiente y en tal caso el exceso debe de aproximarse al valor parael que las pérdidas de combustión sean mínimas.

Precisamente el hacer óptimo el exceso de aire es uno de los medios más efectivos paramejorar el rendimiento de la caldera. Por ejemplo, por cada 1 % de reducción de exceso deoxígeno en los humos, para altos noveles de éste, se consiguen mejoras de rendimiento del 1 %,aproximadamente, mientras que para niveles de trabajo inferiores al 3 % la misma reducciónorigina mejoras del 0.5 %.

Lo ideal es conseguir que el punto de operación sea tal, que la suma de las pérdidas porcombustible inquemado más las ocasionadas por pérdida de calor en los humos, sea mínima,


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Figura 12: Relación entre el CO y el O2 en los humos para distintoscombustibles

trabajando en una zona como la sombreada en la parte derecha de la figura 10.Los parámetros más usados como imágenes de la cantidad de aire en exceso son el

oxígeno y el monóxido de carbono contenidos en los humos. Ambas medidas dan informaciónsobre el desarrollo de la combustión y cuando se usan combinadas, proporcionan larepresentación más fiel de la misma, utilizándose siempre como medida principal la del oxígeno.

El control del exceso de aire, es el primer paso en la optimización de la relación aire-combustible. Con disposiciones como las representadas en las figuras 4 a 8, el operador actúará

a través de una estación selectora, sobre la señal real de aire, haciéndola mayor o menor segúndesee bajar o subir la cantidad de aire en el hogar.

El control puede realizarse de forma automática mediante una disposición como la de lafigura 11. El punto de consigna para el oxígeno se obtiene en función de la señal de caudal devapor, representativa de la carga, según se indicaba en la parte izquierda de la figura 10. Estepunto de consigna se compara con el valor real del oxígeno medido por un analizador. Al posibleerror se le aplica el controlador P+I, en el regulador de exceso de aire, cuya salida se aplica comoun factor de corrección, dentro de unos márgenes dados, al caudal real de aire.

Este controlador del exceso de aire es de acción directa, esto quiere decir que aumentarásu salida, y por tanto el factor de corrección si lo hace el oxígeno. Aumenta así el valor de laseñal de aire corregida que va a actuar sobre el regulador principal del aire, que, comoconsecuencia, disminuirá el caudal real y por lo tanto la concentración de oxígeno. Si el oxígenodisminuyera, ocurriría a la inversa, aumentando al final el caudal real de aire.

El control de exceso de aire realizado a través del oxígeno puede complementarse conseñales procedentes de la medida del monóxido de carbono (CO) contenido en los humos, envirtud de ciertas características de esta medida que no posee la del oxígeno y que son:

- La medida de CO no se ve afectada de forma importante por las posibles infiltracionesde aire al hogar o conductos, como ocurre con la de O2.


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Figura 13: Control del exceso de aire con influencia del CO

- La medida de CO está relacionada directamente con el combustible sin quemar, por loque puede utilizarse para comprobar que la combustión es completa, con mayor precisiónque la de O2.- La cantidad de CO que garantiza que la combustión sea completa está dentro delintervalo entre 150 y 250 ppm; como se puede ver en la figura 12. Por el contrario, elcontenido de oxígeno en los humos necesario para asegurar una buena combustión es

siempre función del tipo de combustible.En función de estas características se pueden configurar disposiciones como la de la

figura 13, en la cual se introduce una señal al punto de consigna de oxígeno basada en la medidadel monóxido de carbono.

También se puede hacer uso de la medida de opacidad de los humos que salen hacia elprecipitador, que está relacionada con el contenido de partículas de inquemados, aunque es de


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Figura 14: Diagramas de control de presión del hogar

muy baja fiabilidad al depender fundamentalmente del contenido en cenizas volantes.

2.2. CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGARMuchas calderas industriales trabajan con el hogar a una presión siempre superior a la

atmosférica. Los ventiladores de tiro forzado suministran el aire necesario para la combustiónde acuerdo con las necesidades marcadas por el control del aire dentro del control de

combustión, no existiendo una regulación de la presión del hogar, la cual es función de la cargay existiendo una protección que dispara el combustible al superar un valor determinado depresión.

Otras calderas trabajan con hogares en depresión respecto a la atmosférica. En este casose utilizan, además de los ventiladores de tiro forzado que suministran el aire de combustión,otos ventiladores, llamados de tiro inducido, situados después del hogar y que aspiran los humosoriginados en él. En este tipo de hogares es necesario controlar la presión en un valor fijo eindependiente de la carga actuando sobre las compuertas de aspiración de los ventiladores de tiroinducido.

La figura 14a se corresponde con un sistema de control de presión clásico de unelemento, mientras que la figura 14b se complementa con una señal de anticipación que suele


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Figura 15: Diagrama de control de la presión del hogar conprotección contra implosiones

ser la misma que va a los ventiladores de tiro forzado.

2.2.1. CONTROL DE LA PRESIÓN DEL HOGAR CON PROTECCIÓN CONTRAIMPLOSIONES

Presiones muy por debajo de la atmosférica, pueden originar una implosión del hogar conlos daños consiguientes para la instalación. La causa más frecuente de una situación de este tipo,

es un disparo de combustible que produce una brusca disminución de la temperatura de los gasesque hay en el hogar, y como consecuencia, una gran caída de presión. Este efecto puede paliarsereduciendo la aspiración de los ventiladores de tiro inducido en proporción al caudal de humos


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Figura 16: Respuesta de la presión de un hogar ante un disparo de combustible

existente en el momento del disparo. Una disposición posible es la de la figura 15 en la que lademanda de presión de los ventiladores de tiro forzado, además de utilizarse como anticipaciónen el lazo de control durante la operación normal, se emplea como señal representativa de lacarga y por tanto de dicho caudal de humos y a través de una función determinada y del númerode ventiladores inducidos en servicio, originan, en el momento de la pérdida de combustible, unadisminución de su aspiración y un posterior aumento hasta el valor original. La señal queproduce estos efectos se introduce en el control después de las estaciones selectoras de mando,

por lo oque puede tener efecto aun en el caso de que el control se encuentre en manual.

En la figura 16 se representa la disminución de la presión, en un hogar de carbónpulverizado, que sigue a un disparo de combustible. La curva para el caso de control sinprotección se representa en trazo grueso mientras que la correspondiente a un control conprotección se representa en tazo fino.

2.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓNEl objetivo del control del caudal de agua de alimentación es el de establecer un

equilibrio entre la cantidad de vapor que sale de la caldera y la cantidad de agua que entra. Unamedida de este equilibrio en las calderas de recirculación, es el nivel del calderín, que debemantenerse constante.

Instintivamente parece que dicho nivel disminuirá transitoriamente cuando aumente elcaudal de vapor, sin que el caudal de agua haya tenido tiempo para aumentar. Del mismo modoparecería que el nivel tiene que aumentar al disminuir el caudal de vapor, sin que el caudal deagua haya tenido tiempo para disminuir.

En la práctica ocurre lo contrario: un aumento en la demanda de vapor produce unadisminución transitoria de la presión de la caldera que permite una expansión del volumen delas numerosas burbujas de vapor contenidas en la mezcla agua-vapor de la zona de vaporización,haciendo que el volumen de agua-vapor aumente transitoriamente, incluso aunque disminuya el


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Figura 17: Control de agua de alimentación deun elemento

caudal de agua de alimentación.De forma similar, una disminución en la demanda de vapor origina un aumento en la

presión de la caldera que hace que se contraigan las burbujas de vapor, con lo que disminuye elvolumen de la mezcla agua-vapor y el nivel disminuirá transitoriamente aunque el caudal deagua aumente.

El agua de alimentación a la caldera se puede controlar a través de la medida del aguadel calderín, del caudal de vapor y el caudal de agua, consiguiéndose un control más precisoutilizando los tres elementos de medición a las vez.

2.3.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE UN ELEMENTOEn este caso el control del agua de alimentación a la caldera se controla a través de una

sola medición, la del nivel de agua del calderín. Se utiliza un solo controlador de nivel P+I que

actúa según el error y sobre el elemento final de control con acción integral, para anular el errorresidual propio de la acción proporcional, pero que en este caso amplifica los efectos producidospor la dilatación y contracción de las burbujas ya mencionada. En la figura 17 se representa uncontrol de este tipo, utilizado normalmente en pequeñas calderas que trabajan con cargas muyestables.


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Figura 18: Diagrama de control del agua dealimentación de dos elementos

2.3.2. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE DOSELEMENTOS

Se trata de un control con señal de anticipación, en el que el nivel se mide como en elcontrol de un solo elemento, y el caudal de vapor se emplea como señal anticipativa de lademanda de agua, haciéndole a este seguir sus variaciones.

Con esta configuración, que se muestra en la figura 18 se contrarresta la tendencia adisminuir o aumentar el caudal de agua, transitoriamente, como consecuencia de la dilatación

o contracción del volumen de la zona de vaporización, producida por un aumento o disminuciónen el consumo de vapor, como ocurre con el control de un solo elemento.

La realimentación de la señal de nivel permite, como en todos los casos en los que seemplea la anticipación, ajustar el caudal de agua a su valor exacto.

De esta manera, de acuerdo con la demanda de caudal de vapor habrá una aportacióninmediata de agua a través del controlador secundario de nivel.


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Figura 19: Diagrama de control del agua de alimentación detres elementos

2.3.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN DE TRESELEMENTOS

Se puede conseguir un control más preciso utilizando tres señales de control tal como semuestra en la figura 19

Se utiliza la misma configuración de control anticipativo con realimentación utilizada enel control con dos elementos. Pero lo que en aquel caso era señal de demanda, aquí se convierte

en punto de consigna para comparar con el caudal de agua de alimentación. El error es la señalque va al controlador que genera la señal de control. Cuando la carga es inferior al 30 %,funciona el control con un solo elemento y cuando es superior a este valor funciona el controlcon tres elementos. La regulación de tres elementos elimina el fenómeno de oscilación del nivelde agua que se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rápidamente.


INDICE 1



ÍNDICE DE MATERIAS

2.4. CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO. CALDERASSIN CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN CALDERAS

SIN CALDERÍN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2. CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA CALDERA

DURANTE LOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJAS . . . . 32


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Figura 20: Característica de un sobrecalentador de convección

2.4. CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOREl objeto de este control es el de mantener en un valor constante la temperatura del vapor

a la salida de la caldera. Generalmente el conjunto de elementos de sobrecalentamiento en unacaldera presenta una característica correspondiente a una trasmisión de calor por convección, loque implica que el calentamiento del vapor y por tanto su temperatura de salida aumentará conla carga (más caudal de humos, más caudal de vapor). Así que será necesario un enfriamientoimportante del vapor para mantener la temperatura deseada, TS, constante cuando se funcionea cargas altas, mientras que a cargas inferiores será necesario aportar calor para alcanzar dichatemperatura deseada, según se muestra en la figura 20.

El control de la temperatura se realiza mediante diferentes métodos. Los más importantesson:

- Exceso de aire.- Recirculación de humos.- Partición del conducto de humos.- Quemadores inclinables.- Atemperación del vapor.

Los cuatro primeros son actuaciones primarias sobre los elementos a que se refieren yel último, atemperación del vapor, es el ajuste final mediante inyección de agua.

La temperatura del vapor de salida de un sobrecalentador de convección puedeaumentarse, a cargas bajas, disminuyendo la absorción de calor en el hogar mediante un aumentodel exceso de aire de combustión, según se puede ver en la figura 21, dado que el aire en excesoabsorbería calor en el hogar y por lo tanto los humos llevarían más calor e irían a mayorvelocidad, trasmitiendo más calor en las zonas convectivas del sobrecalentador y recalentador.

El método de control de la temperatura del vapor mediante recirculación de humos es


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Figura 21: Modificación de la cantidad de calor en humos

Figura 22: Variación de la absorción de calor por las distintas superficies con larecirculación de humos

muy atractivo desde el punto de vista económico y de operación. Consiste en volver a introduciren el hogar los humos de salida del economizador (normalmente). La recirculación de humos


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Figura 23: Efectos de la partición del conducto y de la inclinación dequemadores

origina una alteración en la forma en que los distintos componentes de la caldera absorben calor,sin variar a penas el calor absorbido por la caldera en conjunto. El efecto térmico producido porla recirculación depende de la cantidad de humos recirculados, del punto de reinyección en lacaldera y de la carga de la misma. En la figura 22 se representan las variaciones en la absorciónde calor con la recirculación introducida en la parte baja del hogar. Esta localización origina unamarcada reducción en el calor absorbido por el hogar mientras que incrementa la absorción quetiene lugar en las secciones de convección. La absorción total de calor permanece prácticamenteinalterada.

En el caso de regulación por partición del conducto de humos, figura 23a, la trayectoriade salida de éstos se divide en dos, una de las cuales está ocupada por la superficie decalentamiento que se desea controlar. La cantidad de calor cedida en ésta, se regula mediante elmovimiento de unas compuertas, que, en función de su posición, permiten una variación en ladistribución de humos entre los dos conductos. Los humos que no pasan por la zona de la

superficie que se pretende regular, pasan por la otra mitad, que al estar ocupada a su vez porotras superficies de calentamiento de vapor, se ven influenciadas necesariamente por laregulación que se pretende.

El método de regulación mediante quemadores inclinables , modifica la forma en queel calor es absorbido en el hogar, ya que desplaza verticalmente la zona principal de combustión.Suele utilizarse en calderas de fuegos tangenciales, se puede ver un esquema en la figura 23b.

La señal de actuación de cada uno de los elementos con los que se produce la regulaciónprimaria de la temperatura del vapor (caudal de recirculación de humos o reparto del caudal dehumos entre cada uno de los conductos en que se parte el conducto o inclinación dequemadores), se genera con una configuración en la que el regulador utiliza el error resultantede la comparación de la señal de temperatura del vapor recalentado con el set point tal como semuestra en el lazo de control de la figura 24. Es normal introducir una señal que anticipa laregulación cuando se producen variaciones en la carga, consiguiéndose este efecto mediante un


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Figura 24: Diagrama del lazo de control de la regulación de latemperatura del vapor recalentado

derivador situado en la conexión de la señal representativa de aquella. Cuando la señal de erroralcanza un valor próximo al límite de actuación del sistema de regulación de que disponga lacaldera, se permite la entrada en funcionamiento de al atemperación del recalentado. Téngaseen cuenta que esta atemperación del recalentado solamente debe de ser utilizada en caso deemergencia. Para ello el limitador de máxima, cuando la señal de error alcanza un valor límitealto, genera una señal digital que deja pasar la seña de control al regulador del caudal deatemperación. Mientras no se alcance el límite alto, la señal que llega al regulador del caudal deatemperación es igual a cero.


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Figura 25: Diagrama de control de la temperatura del vapor sobrecalentado

En la figura 25 se muestra una cadena de regulación de la temperatura del vaporsobrecalentado con una configuración en cascada. La salida del controlador principal detemperatura de salida, Ts, se utiliza como set point para la temperatura de entrada, Te. Elregulador auxiliar que controla esta temperatura será el que finalmente actúe sobre la válvula deatemperación.

La función del lazo auxiliar es la de detectar rápidamente y compensar las perturbacionesque provienen de los elementos de sobrecalentamiento previos a la zona donde tiene lugar laregulación.


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Figura 26: Regulación de la temperatura del vapor sobrecalentado con puntos deconsigna en función de las características del sobrecalentador

Además se suele introducir una señal anticipativa de la atemperación cuando se producenvariaciones de carga, consiguiéndose este efecto mediante un derivador en la conexión de laseñal representativa de aquella.

Cuando son dos las zonas de atemperación hay que interconectar de alguna manera doslazos de regulación similares al de la figura 25, lo que representa ciertas dificultades como, porejemplo, mantener cada válvula de atemperación en su zona óptima de trabajo y evitar que, por


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Figura 27: Control de la temperatura del vapor sobrecalentado en cascada

ejemplo, una esté totalmente abierta y la otra cerrada.Existen dos posibles soluciones para estas dificultades: una es que los valores de

consigna de cada regulador, a excepción del que controla la temperatura de salida, se hacen enfunción de las características de transferencia de calor de cada sobrecalentador y otra que todoslos circuitos de regulación se conectan en cascada de forma que cada uno elabora el valor deconsigna del que sigue.


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Figura 28: Sistemas de control de una caldera de paso único

Estas dos variantes se ilustran en los diagramas de las figuras 26 y 27. En la primera deellas se representa el sistema el que los puntos de consigna son función de las características decada sobrecalentador, pudiéndose apreciar en el diagrama de temperaturas como elsobrecalentador final presenta una característica de convección y el primario otra de radiación.

Para que el consumo de agua, Q2, de la segunda inyección se mantenga en la zona detrabajo del regulador y de la válvula, es preciso que el valor de consigna de la temperatura, TS1,antes de la inyección de agua de atemperación disminuya al aumentar la carga.

Con la solución de reguladores en cascada de la figura 27, la regulación de la última

inyección de agua se mantiene en su zona de trabajo manteniendo en un valor constante ladiferencia entre las temperaturas TS1 y TS2 antes y después de dicha inyección. Esto se consiguesumando una señal fija, representativa de una temperatura determinada, por ejemplo 25 ºC, alvalor de consigna de la temperatura TE2; la suma TE2 + 25 ºC será, a su vez, la consigna para latemperatura TS1.

Si por ejemplo, la temperatura del vapor de salida TS2, sobrepasa su valor de consigna seinyectará más agua al atemperador con el fin de que disminuya TE2 y por tanto TS2. A su vez elpunto de consigna TS1 disminuirá en la misma magnitud en que lo haga TE2 lo que obligará a


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inyectar más agua, también en el atemperador 1.

3. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO ÚNICO. CALDERASSIN CALDERÍNEn la figura 28 se representan los principales circuitos de regulación de una caldera de

este tipo. Los controles de combustión de la presión del hogar y de la temperatura del vapor, sonidénticos a los de las calderas con calderín. El circuito R1 regula la presión del vapor controlandola combustión y el circuito R2 la presión del hogar. En los circuitos de regulación interna se haceuso del mismo tipo de control para la temperatura del vapor R3, pero el circuito R4 que regula elcaudal de agua de alimentación funciona sobre criterios distintos dada la no existencia de unamedida del nivel de agua. La solución de la figura 29 es una de las más extendidas y consiste enmantener siempre una relación entre el caudal de agua de alimentación y el caudal de agua deatemperación.

3.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIÓN EN CALDERASSIN CALDERÍNEl control del agua de alimentación en este tipo de calderas se caracteriza por una

ausencia del control de nivel, que en las calderas con recirculación suministra la imagen másrepresentativa de las necesidades de agua. El criterio que se utiliza aquí como base del controles el de mantener una determinada relación entre los caudales de agua de alimentación y deatemperación. En este tipo de calderas la variación del caudal de agua de alimentación conrelación a la dosificación de combustible, produce una regulación primaria de la temperatura delvapor, consiguiendose, por medio de la atemperación, corregir las desviaciones que se produzcancon relación a la temperatura deseada.

Al ser el agua de atemperación la que en última instancia controla la temperatura, sedosifica el caudal de agua de alimentación para que, dada su relación respecto al combustible(carga), el vapor adquiera una temperatura tal que el agua de atemperación, que la va a ajustaral valor de consigna, se mantenga en un valor que permita a la válvula de atemperación estar enuna posición óptima.

En la figura 29 se muestra un esquema simplificado en el que el regulador del caudal deagua de alimentación recibe una señal de mando representativa del caudal de vapor multiplicadopor un factor igual a la relación que se desea mantener entre el caudal de agua de alimentacióny el caudal de agua de atemperación.

De esta forma si, por ejemplo, la señal que se aplica al comparador a través del calculadorde relación es del 95 % del caudal de vapor QV existente en ese momento, el caudal de agua dealimentación QAG será también igual al 95 %, completándose el 5 % restante con el agua deatemperación.

Este sistema de regulación da generalmente resultados bastante satisfactorios, peropresenta ciertas imperfecciones durante los regímenes transitorios, imperfecciones que puedencorregirse mediante la introducción de dos señales representativas de las derivadas del caudalde vapor y de su temperatura a la salida de la zona de vaporización según se representa en lafigura 30.


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Figura 29: Principio de control del caudal de agua dealimentación en una caldera de paso único

La primera optimiza el comportamiento de la regulación en los periodos transitoriosoriginados por variaciones de carga, mientras que la segunda proporciona una anticipación enla respuesta al detectar cambios en la temperatura debidos a alteraciones en la combustión.

Otro sistema típico de regulación del caudal de agua de alimentación en las calderas sincalderín es el representado en la figura 31 y que constituye una prolongación natural del sistemade control de la temperatura del vapor de la figura 27, en el que el caudal de la última inyecciónse mantiene dentro del intervalo de regulación manteniendo, a su vez, constante la diferenciaentre las temperaturas del vapor antes y después de ella, mediante la regulación e laatemperación anterior. Este sistema de control puede modificarse en el sentido de que sea elcaudal de agua de alimentación el que mantenga constante dicha diferencia de temperatura.


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Figura 30: Control del caudal de agua de alimentación con señales deanticipación en calderas de paso único

En la figura 31 se ha representado un sistema con una sola inyección de agua deatemperación situada después de la zona de vaporización. El regulador del caudal de agua dealimentación recibe una señal de demanda, que es función de la carga, corregida en proporciónal error entre la temperatura TE1 y su valor de consigna.

En los sistemas descritos hasta aquí, el órgano final de regulación está siemprerepresentado pos una válvula. Ahora bien, en las grandes unidades, con objeto de evitar lapérdida de carga que aquella provoca, se utilizan bombas de alimentación de velocidad variable.


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Figura 31: Control del caudal de agua de alimentación en cascadacon el de temperatura en una caldera de paso único

3.2. CONTROL DE LA RECIRCULACIÓN DE AGUA EN LA CALDERA DURANTELOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJASLa regulación del agua de alimentación en las calderas de paso único, ofrece una

particularidad durante los periodos de arranque y bajas cargas, consistente en el mantenimientode una circulación de agua en el hogar en un valor mínimo de seguridad que mantenga larefrigeración del metal de los tubos, aunque la carga de la caldera sea inferior a la que


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Figura 32: Circuito de recirculación y su control de las calderasde paso único

corresponde a ese caudal, Este caudal mínimo de seguridad se suele fijar entre el 30 y el 35 %del caudal nominal. La disposición del sistema de recirculación y el principio en que se basa laregulación del caudal se muestran en la figura 32

El sistema de recirculación utiliza un depósito (botellón) situado a la salida de la zonade vaporización, que permite separar el agua y el vapor que llegan a él. El agua, que se separaen el depósito, se hace circular de nuevo hacia el circuito economizador-vaporizadores medianteuna bomba de recirculación y una válvula de regulación situada en la impulsión de ésta.

El nivel de agua en el botellón constituye el punto de consigna para el caudal derecirculación de caldera. Cuando comienza el encendido con el nivel máximo y no hayproducción de vapor, el caudal a través del hogar lo suministra la bomba de recirculación conla válvula de control abierta al máximo, mientras que las bombas de agua de alimentación noaportan agua a la caldera y se mantienen recirculando sobre el desgasificador, con objeto demantener el caudal mínimo.


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Figura 33: Relación entre los caudales de recirculación y de agua de alimentación

Cuando comienza a producirse vapor, como las bombas de agua de alimentación noaportan agua a la caldera, el nivel del botellón baja y el control de recirculación cerraráproporcionalmente la válvula de control y el caudal de recirculación bajará también, y comoconsecuencia el caudal a través de los vaporizadores. En este momento será el control del caudalde agua de alimentación el que detectará esta disminución y aportará agua a la caldera hasta quela suma de agua de alimentación y la de recirculación completen el caudal mínimo.

A medida que aumenta la producción de vapor se repetirá el proceso anterior, bajará cadavez más el nivel de este depósito separador, con lo que la recirculación cada vez será menor yesto hará aumentar el aporte de agua de alimentación a la caldera, llegando un momento que larecirculación sea nula. Esto provocará la parada de la bomba, y todo el aporte de agua serealizará mediante las bombas de agua de alimentación.


INDICE 1



ÍNDICE DE MATERIAS

4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1. REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.1. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA,

DE TRANSMISIÓN MECÁNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.2. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA

DE TRANSMISIÓN MECÁNICA-HIDRÁULICA.CORREDERA DE DISTRIBUCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1.3. REGULACIÓN SECUNDARIA. DISPOSITIVODE AJUSTE DE VELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.4. REGULADOR HIDRÁULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2. REGULADORES ELÉCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43


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Figura 34: Ejemplo de simulación de carga y descarga de una turbina


4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINAUna turbina de vapor se mueve impulsada por el vapor producido en una caldera. La

expansión del vapor hace girar el rotor de la turbina transmitiéndole una potencia. La turbina vaacoplada mecánicamente a un generador, que transforma en potencia eléctrica, la recibida de laturbina.

Según esto, existe siempre un equilibrio entre, la potencia eléctrica del generador máslas pérdidas, con la potencia aportada por el vapor a la turbina. Este equilibrio se mantiene pormedio de las válvulas de regulación, las cuales, dejan pasar más o menos vapor a la turbina segúnsu apertura.


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Figura 35: Disposición esquemática de un regulador centrífugo mecánico de transmisión mecánica

La misión de la regulación de una turbina consiste en posicionar las válvulas deregulación (las cuales dejan pasar más o menos vapor según su apertura) de acuerdo con lademanda de energía eléctrica, para lo cual se utiliza la variación del número de revolucionescomo señal primaria de regulación. Hay un intervalo de variación del número de revolucionesque se corresponde con el recorrido total de la válvula de regulación y en condiciones normales,supone solamente un pequeño porcentaje del número de revoluciones nominal.

Supongamos que el generador accionado por la turbina suministra energía eléctrica a unsistema, él sólo, estando sometido a la totalidad de las variaciones de la demanda. En la figura34 se ha representado el generador por un disco. El disco puede frenarse más o menos mediantezapatas bajo la presión de un muelle y el grupo turbina-disco adquiere una determinadavelocidad de rotación (por ejemplo la nominal) al ser arrastrado por la turbina accionada porvapor. Cuando se aflojan las zapatas del freno la energía demandada disminuye por lo que seproduce un aumento de velocidad, y el sistema de control debe de responder posicionando laválvula de regulación del caudal de vapor más cerrada, de manera que se suministre la potenciasolicitada y mantenga la velocidad nominal.

Si se frena el disco aumentando la presión del muelle, aumenta la demanda de potenciay disminuye el número de revoluciones, en cuyo caso el sistema de control debe de responder

posicionando la válvula de regulación del caudal de vapor más abierta, de manera que sesuministre la potencia solicitada y se mantenga la velocidad nominal.

El disco que hemos descrito anteriormente, provisto de zapatas de freno y accionado porla turbina, se puede sustituir por un alternador. En este caso la función de las zapatas del frenola desempeñan los motores que toman energía del sistema, los cuales al ser conectados ydesconectados, producen la variación de la carga del grupo. La posición de las válvulas deregulación y el caudal de vapor tienen que adaptarse a las variaciones de carga. En este casoespecial la turbina no puede cargarse y descargarse por adelantado sino que la carga o descargase deben hacer después de realizadas las maniobras de los motores.

Aprovechando el hecho de que la variación de carga del generador, tiene como


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Figura 36: Curvas de estatismo de un regulador centrífugo

consecuencia una variación del número de revoluciones, con objeto de automatizar la regulación,parece conveniente acoplar el accionamiento de las válvulas de regulación con esta variaciónde velocidad.

Con este fin se desarrolló el regulador de fuerza centrífuga representado en la figura 35.Los reguladores empleados actualmente, difieren constructivamente del regulador de fuerzacentrífuga original, pero se conserva, sin embargo, el principio fundamental, que relaciona laposición de la válvula de regulación con la variación del número de revoluciones.

Para el control de turbina se pueden emplear distintos tipos de reguladores: de fuerza

centrífuga (mecánicos e hidráulicos) y eléctricos.

4.1. REGULADORES DE FUERZA CENTRÍFUGALos reguladores de fuerza centrífuga pueden ser mecánicos o hidráulicos y transmitir su

acción al elemento final (válvula de vapor) por medios mecánicos, por medios mecánico-hidráulicos y por medios hidráulicos.

4.1.1. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA, DE TRANSMISIÓNMECÁNICAEl regulador mecánico de fuerza centrífuga, es un regulador, basado en un equilibrio

entre la fuerza centrífuga desarrollada por dos masas al girar y la que opone un resorte que secomprime. Tan como se muestra en la figura 35 está compuesto, básicamente de un husillo (8)que lleva montados dos pesos centrífugos (2). Este husillo va acoplado al eje de la turbina (6)a través de un engranaje helicoidal (7).

Cuando el husillo gira accionado por el eje de la turbina, los pesos (2) se desplazan haciafuera por efecto de la fuerza centrífuga y se elevan comprimiendo el muelle (1). El reguladortrabaja elevando el manguito (9) cuando aumenta la velocidad y descendiendo cuandodisminuye.


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Figura 37: Control de la válvula de vapor mediante regulador centrífugo mecánico de transmisión mecánica-hidráulica

La fuerza centrífuga y la tensión del muelle están relacionadas entre sí. Mediante elcorrespondiente dimensionado de los pesos centrífugos (2) y del muelle (1) se puede determinarel intervalo de revoluciones correspondiente a la carrera del manguito (H). Esta correspondenciaentre velocidad y desplazamiento del manguito, se puede variar, conservando los mismos pesoscentrífugos del regulador, mediante modificación de las características del muelle: modificaciónde la fuerza por milímetro, de compresión del muelle.

En su forma más sencilla el mando de un regulador de fuerza centrífuga se basa en elempleo de una palanca (4) basculando sobre la articulación fija (3).

En uno de sus extremos va dispuesto el manguito (9) del regulador y en el extremoopuesto, el husillo de la válvula de regulación (5).

La carrera del manguito (H) corresponde a la carrera de la válvula (V). El regulador

puede estar diseñado de tal modo que para un valor de 3000 rpm, la mitad de la carrera de laválvula coincida con la mitad aproximadamente de la carga. Una modificación de la cargaeléctrica del generador accionado, produce una variación de la velocidad que tiene comoconsecuencia una variación de la posición del manguito y finalmente de la posición de la válvula.El proceso de regulación finaliza cuando la nueva posición de la válvula y el caudal de vaporresultante, corresponden al nuevo régimen de potencia del generador. Es inevitable que la nuevaposición de la válvula corresponda a una nueva posición del manguito y de las masas y comoconsecuencia a una nueva velocidad. Con el empleo del regulador de la figuras 35, cuyascaracterísticas, o curvas de estatismo, se muestran en la figura 36, el turbogrupo alcanza unavelocidad de 3100 rpm con marcha en vacío (carrera de la válvula V=0 %) y una velocidad de2900 rpm para la máxima carga (carrera de la válvula V= 100 % max).


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Figura 38: Ajuste de velocidad mediante regulación secundaria

La diferencia del número de vueltas correspondiente al recorrido de la válvula (V),alcanza en este regulador el valor de 200 rpm.

Si se desea mantener constante este margen de velocidad de 200 rpm, coordinado alrecorrido total de la válvula, pero entre distintas velocidades, por ejemplo de 3200 hasta 3000rpm, debe aumentarse la tensión inicial del muelle (sin variar su característica). Con ello seconsigue que la posición del manguito (9) del regulador corresponda ahora a un recorrido de laválvula del 0 % para una velocidad de 3200 rpm y a un recorrido de Vmax = 100 % para 3000rpm.

La diferencia del número de revoluciones coordinada al recorrido total de la válvula, nopuede variarse regulando la tensión del muelle del regulador. Para ello debe sustituirse dichomuelle por otro de una característica distinta.

La diferencia del número de revoluciones coordinada al recorrido total de la válvula, semide mediante el estatismo o grado de proporcionalidad que se expresa casi siempre en tanto porciento y se puede escribir sin error apreciable d(%) = 100(N1 - N2)/NNOMINAL.

El grado de proporcionalidad o estatismo se puede modificar también mediante eldesplazamiento del punto de giro de la palanca del regulador (3) en lugar de actuar sobre lacaracterística del muelle.

4.1.2. REGULADOR MECÁNICO DE FUERZA CENTRÍFUGA DE TRANSMISIÓNMECÁNICA-HIDRÁULICA. CORREDERA DE DISTRIBUCIÓNEl regulador mostrado en la figura 35, es de transmisión mecánica entre el propio

regulador y la válvula de vapor. Normalmente las fuerzas de regulación que puede vencer unregulador de fuerza centrífuga de transmisión mecánica son muy pequeñas, y en la mayoría de


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Figura 39: Formación de la presión de control con un regulador mecánico de transmisión hidráulica

los casos sería imposible vencer las fuerzas del vapor, que actúan sobre el obturador de laválvula, con la simple ayuda de estas fuerzas del regulador. Este es el motivo de introducir lacorredera de distribución.

Se trata de un elemento hidráulico intermedio cuya misión es la de amplificar laspequeñas fuerzas desarrolladas por el regulador.

Tal y como se puede apreciar en el regulador mecánico de transmisión mecánica-hidráulica de la figura 37, partiendo de la posición MBA de la palanca que une el regulador conel vástago de la válvula, si se produce un aumento de la demanda, será seguida por unadisminución de la velocidad y por tanto de la fuerza centrífuga, se desplazan las masas delregulador centrífugo hacia abajo (posición de lineas de trazo) la corredera de distribucióntambién se desplaza hacia abajo desde su posición central de equilibrio. Se libera el paso delaceite de mando (conexión 3) a la cámara de aceite (1). Simultáneamente se produce una

comunicación (conexión 4) entre la cámara de aceite (2) y el drenaje de aceite (5). La presióndel aceite que se encuentra en la cámara (2) decrece, mientras que la presión del aceite que seencuentra en la cámara (1) crece. El émbolo motriz asciende por la diferencia de presiones delaceite de mando entre sus caras. El movimiento ascendente del émbolo motriz hace que abra laválvula de vapor y como consecuencia que aumente la velocidad y se eleve el manguito. Lamayor apertura de la válvula y la posición más alta del manguito, hacen que ascienda lacorredera a su posición central de equilibrio en la cual las conexiones de aceite quedan cerradasnuevamente. El proceso se repite algunas veces hasta que se alcanza la posición final deequilibrio y la palanca que une el regulador con el vástago de la válvula queda en la posiciónM’BA’, con una mayor apertura de válvula (la correspondiente a la demanda) y una menorvelocidad.


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Figura 40: Relación entre velocidad, apertura del obturador, presión de control y apertura de válvula

4.1.3. REGULACIÓN SECUNDARIA. DISPOSITIVO DE AJUSTE DE VELOCIDADLa velocidad conseguida por el regulador es función de la potencia: cuando ésta aumenta,

la velocidad disminuye y viceversa. A una potencia dada corresponderá también una velocidaddada. Con una regulación de este tipo montada sobre un turboalternador que abastezca de formaindependiente a una red, no sería posible mantener un valor constante de frecuencia y susvariaciones serían demasiado importantes como para poder ser toleradas por los consumidores.

Es, por tanto, necesario corregir el resultado de la regulación primaria, efectuada por elregulador de velocidad, mediante algún otro dispositivo que realice una regulación secundariay haga retornar la frecuencia a su valor nominal manteniendo la potencia en el valor demandado.

Por otra parte, cuando el turboalternador está acoplado con otros grupos a una redimportante, la velocidad de la turbina es mantenida constante por la frecuencia de la red.

Una forma posible de realizar la regulación secundaria, es variando la longitud delvástago. Para ello, el vástago está roscado y sobre él desliza un manguito accionado por un motoreléctrico, tal como se muestra en la figura 38. La barra que une el regulador con el vástago nose une directamente a éste, si no que lo hace al manguito, de forma que no impida el giro de éste.Al hacer funcionar el motor, en el sentido adecuado, se hace girar el manguito sobre el vástago

roscado, haciendo que dicho vástago suba; al subir abrirá la válvula, aumentará la velocidad ycomo consecuencia el regulador volverá a cerrarla hasta la posición correspondiente a la potenciademandada, pero las masas quedarán en una posición más elevada y la turbina con una velocidadtambién más elevada. Después de varias maniobras, la velocidad alcanzará su valor nominal yla válvula la posición que tenía al inicio de la regulación secundaria (posición correspondientea la potencia demandada).

La transmisión entre el regulador centrífugo-mecánico y la válvula puede ser totalmentehidráulica tal como se muestra en la figura 39. En este ejemplo también se incorpora laregulación secundaria, que consiste en desplazar la camisa C mediante el motor M. Tiene laventaja de poder prescindir de articulaciones mecánicas entre los distintos componentes de laregulación. Las masas del regulador posicionan el obturador A en el interior de la camisa C,dotada de un orificio de drenaje de aceite. el aceite se suministra desde la bomba de aceite decontrol, B, a una determinada presión, controlada por la válvula 1, a través de un orificio 2. El


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Figura 41: Regulador hidráulico con transmisión hidráulica

conjunto camisa-obturador constituye un orificio de paso de sección variable, según sea suposición relativa, que puede variarse por la actuación del regulador sobre el obturador o pordesplazamiento de la camisa por efecto del sistema de regulación secundaria. Al variar la secciónde paso, se produce un cambio en el caudal de aceite que va al drenaje, originándose un cambioen la presión de aceite de control entre el orificio 2 y el accionamiento de la válvula. De estaforma se varía la presión de aceite que va al accionamiento de la válvula, la cual cambiará sugrado de apertura en función de esta presión. Téngase en cuenta que en este caso la válvula decontrol de vapor abre por la acción del aceite a presión que empuja un embolo trabajando contraun muelle: cuanto mayor es la presión del aceite mayor será la apertura de la válvula y cunadola presión de aceite desaparece, la válvula cierra totalmente por la acción del muelle. En la figura

40 se representa la relación entre la velocidad y la apertura de la válvula, donde obtenemos lamisma recta de estatismo que en el caso de trasmisión mecánica descrito en el apartado 4.1.1.El desplazamiento de la recta paralelamente a si misma se hace con el sistema de regulaciónsecundaria, que cambia la posición de la camisa y la variación de la inclinación de la recta seconsigue variando la característica del muelle del regulador.

4.1.4. REGULADOR HIDRÁULICOBasa su funcionamiento en la ley de variación de presión en la descarga de una bomba

de aceite (impulsor), en función de su velocidad, cuando el caudal es nulo o muy pequeño.Tal como se puede ver en la figura 41 consta de una bomba de aceite (impulsor) montada

en el árbol principal de la turbina, constituida por una cámara hueca concéntrica con el eje sobrela cual están montados radialmente aletas que forman conductos que descargan en una cámaraconcéntrica con la anterior.

La cámara interior está alimentada con aceite desde la bomba principal del aceite. Si se


43

Figura 42: Relación entre la presión del regulador hidráulico y la velocidad

supone que la cámara de descarga de las aletas radiales no tiene salida, se llenará con el aceiteque se desplaza por dichas aletas por la acción de la fuerza centrífuga generada por la rotacióndel árbol, creándose en la misma una presión que dependerá del número de revoluciones de laturbina. La variación de presión de aceite producida por el impulsor del regulador en dichacámara de descarga, se utiliza para, a través de un fuelle o de un diafragma sensible a la presión,posicionar el actuador del sistema hidráulico que a su vez posiciona la válvula de control del

caudal de vapor a la turbina. Lógicamente, en la práctica, el sistema de transmisión no es tansencillo como el mostrado.

La presión en la cámara de descarga del impulsor no varía linealmente con la velocidad,si no que sigue una ley cuadrática como la mostrada en la figura 42, pero en el rango develocidades comprendidas entre 2700 y 3300, que es la zona normal de trabajo del regulador,se puede considerar como una recta.

4.2. REGULADORES ELÉCTRICOSSe puede utilizar un regulador, que reciba una señal eléctrica representativa de la

velocidad real y otra del punto de consigna deseado. Cuando se utilizan reguladores eléctricos,y dado que el accionamiento de las válvulas sigue siendo hidráulico, es preciso recurrir a unelemento intermedio, convertidor electrohidráulico, entre el regulador y la válvula, en el que laseñal eléctrica de control se convierta en una señal de aceite que actúe sobre la corredera dedistribución del accionamiento de las válvulas de vapor.

Los reguladores eléctricos más utilizados son los reguladores electrónicos, en los que laseñal de velocidad consiste en un contador de impulsos que detecta los producidos por una ruedadentada que gira solidaria con el eje de la turbina. Esta señal de velocidad se procesa en uncomputador que a su vez genera las señales de salida que van a los elementos finales. Másadelante se verá con más detalle el funcionamiento de la regulación electrónica.


INDICE 1

ÍNDICE DE MATERIAS

5. CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6. REPARTO DE LA VARIACIÓN DE POTENCIA DE UN SISTEMA ELÉCTRICOENTRE LOS TURBOGENERADORES QUE TRABAJAN SOBRE ÉL . . . . . . . . 48

7. UTILIZACIÓN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LA REGULACIÓNELECTRÓNICA DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51


44

Figura 43: Regulador centrífugo con indicación de magnitudes

5. CARACTERÍSTICAS DEL REGULADORCon objeto de estudiar las características del regulador utilicemos el representado en la

figura 43, que es más parecido a los utilizados en los últimos tiempos, antes de comenzar autilizarse la regulación electrónica.

El regulador está compuesto por una parte giratoria, compuesta por dos masas simétricasy el soporte de las mismas, y otra parte fija compuesta por el vástago y por el muelle, cuya fuerzase opone a la centrífuga de las masas. El accionamiento de la parte móvil se logra por laactuación de un tornillo sin fin, solidario con el eje de la turbina, sobre una corona dentadasolidaria con la parte móvil del regulador. Por lo tanto la velocidad de la parte móvil del

regulador es directamente proporcional a la velocidad de giro del eje de la turbina. Las masaspodrán ocupar cualquier posición entre un radio R0 y el desplazamiento máximo. A este recorridole corresponde el del vástago (o posición de la válvula), X, que va desde cero hasta el valormáximo de X. De acuerdo con esta descripción se puede establecer que la fuerza que se ejercesobre las masas del regulador es:


45

(1)

Donde:F = Fuerza que actúa sobre las masas del regulador.m = Masa de las masas del regulador.w = Velocidad de giro del regulador.R = Radio de giro de las masas.De la figura 43 se puede deducir:

(2)

(3)

Los desplazamientos en el regulador nunca son grandes por lo que se puede establecer que:

(4)

(5)

Sustituyendo el valor de R de la ecuación (5) en (1) se tendrá para el valor de F:

(6)

Si se representa F (fuerza ejercida sobre las masas) en función del desplazamiento delvástago (desplazamiento de la válvula), para distintos valores de w, tal como se puede ver en lafigura 44, se obtiene una familia de rectas. Esta representación se haría estableciendo unadeterminada velocidad, que en la figura se expresa como tanto por ciento de la nominal quemanteniéndola constante, se desplazan las masas entre los extremos de su recorrido y se midela fuerza en cada una de las posiciones. Con esto se tiene la familia de características de lasmasas del regulador. Para el estudio del funcionamiento del regulador solo será útil la parte delas características comprendida entre los valores extremos del recorrido del regulador, por lotanto se utilizarán las características tal como se representan en la figura 45.

Si con objeto de establecer un sistema de regulación se eligiera um muelle cuyacaracterística fuera igual a la de las masas a la velocidad nominal (100 %), tendríamos equilibrioentre el muelle y las masa en todo el recorrido del regulador, pero aunque aparentementetendríamos una regulación estable para todos los recorridos de válvula o lo que es lo mismo,todas las potencias de la máquina, en el momento que la velocidad excediera el valor


46

Figura 44: Fuerza de las masas en función del desplazamiento del regulador para distintas velocidades

correspondiente al 100 %, la fuerza de las masas excedería a la del muelle, la válvula cerraríatotalmente y a continuación entraría en un proceso inestable. Si por el contrario la velocidaddescendiera por debajo d el valor correspondiente al 100 %, la fuerza de las masas será inferiora la del muelle, la válvula abriría totalmente y a continuación entraría también en un procesoinestable.

Se puede establecer una regulación estable si se elige un muelle con una característicaque tenga una pendiente superior a las características de las masas, tal como la linea gruesarepresentada en la figura 45. En tal caso si se partiendo de un punto, D, de funcionamientoestable a una velocidad igual a la nominal y a una determinada potencia. Si en tal caso lapotencia demandada disminuye, la velocidad tiende a aumentar, supóngase que lo hace hasta el101 %, entonces el sistema encontrará un punto de equilibrio en E con las válvulas más cerradas,una potencia más baja (la demandada) y una velocidad superior a la nominal. Aunque se alcanzael equilibrio, es necesario una segunda actuación para llevar el sistema a la velocidad nominalmanteniendo constante la potencia y como consecuencia también la posición de la válvula. Estedispositivo puede ser algo que modifique la característica del muelle, en este caso la tensión,trasladando la característica paralelamente a si misma hasta la posición que ocupa la recta detrazos que pasa por el punto E’. Esta segunda actuación de la regulación se puede hacer demúltiples maneras. Otro ejemplo sería actuando sobre la longitud del vástago. Si se acorta elvástago, para que se mantenga el equilibrio (que la posición de la válvula no varíe), el valor deX tiene que ser más pequeño, las masas tienen que estar más carradas y la velocidad deberá de


47

Figura 45: Características de las masas y característica del muelle

ser menor. En el caso de que el desequilibrio hubiera sido producido por una disminución de

velocidad (aumento de la demanda de potencia) partiendo del punto de funcionamiento estable,D, el equilibrio se habría alcanzado para una potencia más alta X más pequeño, válvula másabierta y velocidad inferior. En este caso la segunda actuación podría ser el aumento de la

tensión del muelle y el traslado de su característica hacia arriba paralelamente a si misma.También se puede hacer alargando la longitud del vástago, lo que llevaría al alcance delequilibrio en una posición de las masas más abierta o lo que es lo mismo, a una velocidad másalta.

Si se cambia el punto de vista y se representa la figura 45 como la velocidad en funciónde X, se obtiene una curva que podemos considerar prácticamente recta debido a la pequeñadiferencia entre las pendientes de las características de las masas de la figura 45. Esta


48

Figura 46: Recta de estatismo de regulación de una turbina

representación es la linea gruesa que se muestra en la figura 46. Hay que tener en cuenta que laposición X = 0 corresponde a las masas totalmente hacia dentro, )R = 0, válvulas totalmenteabiertas, potencia de la turbina máxima y velocidad mínima; y la posición X = máximacorresponde a las masas totalmente hacia afuera, )R = máxima, válvulas totalmente cerradas,potencia de la turbina igual a cero y velocidad máxima. Por ello en el eje de abscisas se va autilizar la potencia en lugar del desplazamiento del vástago o de la válvula. Además en el eje deordenadas en lugar de utilizar la velocidad se va a utilizar la frecuencia, f, ya que ambas estánrelacionadas por la expresión w = 2Bf. En lo sucesivo utilizaremos la figura 46 como diagramade regulación. La recta representada en trazo grueso que nos da la frecuencia en función de lapotencia de la turbina se llama recta de estatismo.

Si se supone un punto de funcionamiento estable, A, con una frecuencia del 100 % y unapotencia, A‘‘ ,y debido a una perturbación, como disminución de la demanda se pasa a funcionara un punto tal como el B, a una frecuencia del 101 % de la nominal con una potencia B‘‘, lasegunda fase de la regulación debe de llevar la frecuencia a su valor nominal, punto B’, sin variarla potencia. Como hemos visto anteriormente esto se puede conseguir disminuyendo la tensióndel muelle con lo que la recta de estatismo pasaría a ser la de trazos paralela a la anterior.

6. REPARTO DE LA VARIACIÓN DE POTENCIA DE UN SISTEMA ELÉCTRICOENTRE LOS TURBOGENERADORES QUE TRABAJAN SOBRE ÉL


49

Figura 47: Parámetros que definen el coeficiente de estatismo de una máquina

Si la recta de estatismo es horizontal (pendiente cero), para una determinado velocidadpuede adoptar cualquier potencia, por lo que no es apta para ningún tipo de regulación(corresponde al caso de que la característica del muelle sea igual a la de las masas). Las rectas

de estatismo, para que la regulación sea estable, deben ser inclinadas como la mostrada en lafigura 46 precedente. Para caracterizar una turbina mediante su recta de estatismo fijémonos enla figura 47, donde se representan utilizando como variables la potencia, P, y la frecuencia f. Poes la potencia nominal, fo es la frecuencia nominal, )fo el la variación de frecuencia que seproduce cuando la potencia varía desde cero a Po. Cada máquina se caracteriza por su potencianominal y por su coeficiente de regulación o de estatismo, d(%):

(7)

En un sistema eléctrico en el que se tienen varios turboalternadores generando energíaeléctrica sobre el mismo, se puede calcular el reparto entre ellos de una variación de la demandadel sistema, conociendo su potencia nominal y su coeficiente de estatismo.

Para cualquier variación de potencia, )P, del sistema (puede ser una disminución o unaumento de la demanda), se producirá una variación de frecuencia, )f, que será la misma para


50

todas las máquinas del sistema y una variación de potencia en cada máquina, )Pi , distinta paracada una. Según la figura 47, se cumplirá para cada máquina:

(8)

(9)

De la definición de coeficiente de regulación o de estatismo y teniendo en cuenta que lafrecuencia, f0 , es la misma para todo el sistema, se cumplirá para cada máquina:

(10)

Por tanto:

(11)

Sumando las variaciones de potencia de todas las máquinas, se obtiene la variación depotencia del sistema:

(12)

Sacando del sumatorio los términos constantes:

(13)

Como deben estar establecidas, para cada máquina, su potencia nominal y su coeficientede estatismo, se puede calcular la suma de las relaciones entre potencia nominal y coeficientede estatismo (sumatorio de la ecuación (13)) de todas las maquinas; como la frecuencia nominaltambién es conocida, de la ecuación (13) se puede calcular el valor de )f para cualquiervariación de la demanda, )P. Este valor sustituido en cada una de las ecuaciones (11), da lapotencia absorbida por cada máquina.

De las ecuaciones (11) se deduce que una turbina de generación de energía eléctrica, anteuna variación brusca de la potencia del sistema, varía más la suya, cuanto menor sea "d i". En lasturbinas hidráulicas, cuya potencia resulta fácil de variar, se utilizan coeficientes de estatismobajos, comprendidos entre 2 % y 3 %. Las turbinas de vapor, cuya variación de potencia,requiere variar el régimen de producción de vapor, no pueden soportar variaciones rápidas decarga grandes y por eso utilizan coeficientes de estatismo del orden de 5%. Cuando la generaciónde vapor es de origen nuclear, los coeficientes de estatismo son mayores, para que estas unidadesse vean poco afectadas por las oscilaciones de la potencia del sistema. En la figura 48 serepresentan rectas de estatismo de diferentes pendientes con la toma de carga que corresponderíaa cada unidad en función de dicha pendiente. Se ve que a mayor pendiente corresponde unamenor toma de carga.


51

Figura 48: Toma de carga de una unidad en función de la pendiente de la recta de estatismo

7. UTILIZACIÓN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LA REGULACIÓNELECTRÓNICA DE LA TURBINALa recta de estatismo deducida del funcionamiento de un regulador mecánico, se utiliza

igualmente en un regulador electrónico.Una vez que la turbia ha sido llevada a la velocidad nominal y está suministrando

potencia, la regulación como respuesta a las variaciones de velocidad debidas a variaciones decarga queda en manos de regulador velocidad-carga que funciona de acuerdo con la recta de

estatismo.Consideremos la recta de estatismo según se muestra en la figura 47. La pendiente de la

recta de estatismo es:

(14)

En lo sucesivo se va a considerar la frecuencia, f, y la potencia, P, en tanto por ciento dela nominal, por lo que P0 = 100 y f0 = 100. La pendiente entonces será:

(15)

Si llamamos a la potencia o apertura de la válvula, x, y a la velocidad o frecuencia, y, laecuación de la recta de estatismo será:


52

Figura 49: Respuesta a una variación de potencia del regulador velocidad-carga

(16)

(17)

A cada nuevo valor de la demanda, el regulador lleva la máquina a funcionar con unafrecuencia, y, y una potencia, x, según la ecuación (17), pero el equilibrio alcanzado correspondea una frecuencia distinta de la nominal. Entonces debe de existir otro lazo de control quemanteniendo la misma potencia (la demandada) o apertura de válvulas, lleve el valor de lavelocidad a la nominal. Para que el valor de x no varíe cuando la frecuencia alcance el valornominal, 100, debe de cumplirse:

(18)

(19)

Cuando fk alcance el valor igual a f'k , el valor de x seguirá siendo igual a la apertura deválvulas o a la potencia demandada y el valor de y será igual a la frecuencia nominal (100). Conello se habrá conseguido los dos pasos de regulación necesarios para funcionar con la nuevapotencia manteniendo la velocidad o la frecuencia en su valor nominal.

Supóngase, según la figura 49, que la demanda de potencia de la máquina pasa de X a X’;el regulador hará que la frecuencia pase del 100 % , correspondiente al punto A, a lacorrespondiente al punto B. A continuación debe de entrar en funcionamiento la segunda fase,que cambie la posición de la recta de estatismo paralelamente a si misma, pasando el


53

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54

Figura 51: Lazo de demanda de velocidad de la turbina


55

funcionamiento al punto C, con lo cual el resultado final del proceso, es el haber variado lapotencia manteniendo constante el valor de la frecuencia.

En la figura 50 se puede ver el esquema de un sistema de regulación electrónico y comose utiliza en él la recta de estatismo para la regulación velocidad-carga. Esto se hace con la señalde velocidad que entra por la parte derecha del esquema, la cual actuará sobre las válvulas decontrol, cuando haya una desviación de la frecuencia, según la recta y = f(x), mientras que otrosegundo lazo corrige el valor de fk, en función del valor de la frecuencia, hasta que y = 100,momento en el que fk dejará de variar y la máquina se estabiliza con la nueva potencia a lafrecuencia nominal.

La señal de demanda de velocidad que entra por la izquierda del gráfico, es la que seutiliza durante el rodado de la turbina, generada en el lazo de la figura 51. En tal caso lavelocidad no habrá llegado al valor nominal y la demanda de la regulación velocidad-carga serádel 100 %. Para que el rodado se haga con un criterio específico, definido en el lazo de la figura51, de las dos señales de demanda de velocidad, la del lazo de arranque y la del reguladorvelocidad-carga, solo pasa la más baja (demanda menor para la apertura de válvulas).

Siguiendo con la descripción de la figura 50, la demanda de potencia es la que se generaen el lazo de la figura 52 como respuesta a la demanda que el operador introduce, según laprogramación de potencia establecida previamente. Esta es distinta de la que se genera comorespuesta del regulador velocidad-carga a las variaciones instantáneas de la frecuenciaconsecuentes a las variaciones instantáneas de la demanda de potencia del sistema. Para que lademanda de potencia, )x, debida a la demanda del operador, tenga efecto, es necesario desplazarla recta de estatismo, variando fk un valor )fk = )xAd/100 según se puede ver con más detalleen las figuras 50 y 53

La señal digital de turbina rearmada va a los controles de todas las válvulas y si está encero, ninguna de ellas recibirá señal de apertura porque, en tal caso, la turbina no está encondiciones de recibir vapor.

La señal digital de rodado en arco total significa que el rodado de la turbina debe dehacerse con las válvulas de control totalmente abiertas. Al control de las válvulas de control llegala señal de 100 % de apertura y a las de admisión les llega la señal de demanda. Esta señal dedemanda abre una pequeña válvula piloto que tienen las válvulas de admisión para controlar laentrada de vapor durante el rodado en estas condiciones..

La señal digital de rodado en arco parcial significa que al control de las válvulas deadmisión no llega la señal digital y abrirán al 100 %, mientras que la señal de demanda actúasobre el control de las válvulas de control que abrirán en función de esa demanda. Este modo defuncionamiento es el que se sigue en marcha normal durante la cual las válvulas de admisiónestán totalmente abiertas.

A medida que reciben señal, las válvulas de control abren simultáneamente hasta el 10% y luego lo hacen en secuencia, la número uno abre totalmente desde el 10 % de la potenciahasta el 55 %; la número dos abre totalmente desde el 55 % de la potencia hasta el 100 %; laválvula interceptora de recalentado abre totalmente entre el 0 % y el 15 % de la potencia. Podríanestablecerse otras secuencias de apertura, incluso la apertura simultanea de las dos válvulas quesería el caso de funcionamiento como válvula única

Por acción del regulador velocidad-carga la válvula interceptora de recalentado comienzaa cerrar cuando la frecuencia o velocidad alcanza el 106 % de la nominal y está totalmentecerrada cunado alcanza el 108 %. Como las válvulas de control deben de cerrar adelantándosea la válvula de recalentado, el valor de d debe de ser inferior al 8 %.


56

Figura 52: Lazo de control de demanda de potencia de la turbina


57

Figura 53: Variación de la recta de estatismo ante una demanda de carga deloperador

En la figura 51 se muestra el lazo de control de demanda de velocidad. El valor develocidad medido se compara con el valor de consigna y en función del error se genera una señalde demanda que se enviará al sistema de control de las válvulas. Paralelamente se determina laaceleración que sufre durante el rodado que se compara con el valor de consigna y en funcióndel error también se genera una señal de demanda que también se enviará al sistema de controlde las válvulas. De estas dos señales solo llega al sistema de control la más pequeña. Cunado lavelocidad alcanza el valor demandado, la aceleración se hace automáticamente igual a cero, laseñal de aceleración pasa al 100 %, y en el paso de mínima solo lo hará la del lazo de error paramantener la velocidad en el valor demandado. Cuando se cierra el interruptor de grupo el controlpasa al regulador velocidad-carga ya que deja de llegar señal del lazo de velocidad.

En la figura 52 se representa el lazo que genera la señal de demanda de potencia segúnla que pida el operador. En este lazo hay limitaciones de aumento máximo y de aumento mínimoasí como de potencia mínima con la que pueda funcionar la máquina. La señal de demanda serásiempre igual a cero mientras no se cierre el interruptor de grupo. También hay una limitaciónde potencia cuando se activa la señal digital de retroceso de carga.


INDICE-1


ÍNDICE DE MATERIAS

8. PROTECCIONES DE UNA CENTRAL TÉRMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8.1. PROTECCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA) . . . . . . . . . . . . 58

8.2. PROTECCIONES DE TURBINA: DISPOSITIVOS DE DESCARGAY DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.1. DISPOSITIVOS DE DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.2. DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE BAJO VACÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.3. DISPOSITIVOS DE DESCARGA POR BAJA PRESIÓN DE VAPOR . . . 618.2.4. DISPOSITIVOS DE DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.5. DISPARO POR SOBREVELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.6. DISPARO POR FALLO DE ACEITE DE LUBRICACIÓN . . . . . . . . . . . . 629.2.3. DISPARO POR FALLO DEL COJINETE DE EMPUJE . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.7. DISPARO POR BAJO VACÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.8. DISPARO POR FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR

COMO MOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.9. DISPARO MANUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

9. LOS SISTEMAS CENTRALIZADOS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10. SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

11. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) Y CONTROLAUTÓMATA LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

12. SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO (APC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67


58

8. PROTECCIONES DE UNA CENTRAL TÉRMICAEl sistema de protecciones procesa parte de las señales, correspondientes a parámetros

importantes de la unidad y cuando se alcanzan determinadas condiciones, consideradaspeligrosas, actúa llevando la unidad a una situación segura, desde la que puede ser llevada alestado de operación una vez corregida la causa desencadenante.

Las protecciones de una unidad comprenden las relativas a los siguientes bloques:- Generador de vapor (caldera).- Turbina.- Alternador.- Sistema eléctrico.

En este texto se hará referencia solamente a las dos primeras.

8.1. PROTECCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA)La caldera puede llegar a situaciones de riesgo muy diversas: procedentes de una

combustión defectuosa, que serían el origen de explosiones; procedentes de la presión del hogarinadecuada, que pueden originar explosiones o implosiones; procedentes del circuito agua-vapor,por las que se puede llegar al quemado y explosión de los tubos, colectores e incluso el calderín;procedentes de un control defectuoso de alguna o varias de las variables que pueden conducira cualquiera de las situaciones anteriores, etc.

La protección de la caldera comienza con que es necesario que se cumplansimultáneamente una serie de condiciones, que deben de mantenerse durante un tiempo, quesuele ser de cinco minutos, para que aparezca un permisivo que permita poner en servicio elsistema de combustible de encendido y luego proceder a encender los ignitores y seguir con elproceso.

Si durante los cinco minutos que dura el proceso de purga desaparece alguna de lascondiciones, dicho proceso se interrumpe y tiene que volver a iniciarse desde el principio. Unavez transcurren los cinco minutos y aparece la señal de purga completa, si no existe ningunacondición de disparo presente (figura 55), se repone o rearma la caldera, lo que hace posibleiniciar el proceso de arranque.

Las condiciones que deben de cumplirse simultáneamente durante cinco minutos recibenel nombre de permisivos de purga. Estas condiciones se indican en la figura 54. El nocumplimiento de cualquiera de ellas lleva aparejado un riesgo, normalmente de explosión en elmomento del encendido de caldera.

Durante el funcionamiento, pueden aparecer en la caldera condiciones que representanun riesgo para tanto para la instalación como par las personas. Si se presenta cualquiera de estascondiciones, debe de cortarse todo el combustible a la caldera y llevar esta de forma automáticaa una situación segura. Esto es un disparo de caldera o de combustible.

En la figura 55 se representan esquemáticamente todas aquellas condiciones, tales quecuando se presenta cualquiera de ellas, se produce un disparo de caldera


59

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8.2. PROTECCIONES DE TURBINA: DISPOSITIVOS DE DESCARGA Y DISPAROA continuación se enumeran las condiciones que pueden originar daños mecánicos a la

turbina durante su funcionamiento:a) Sobrevelocidadb) Funcionamiento del alternador como motorc) Fallo en el aceite de engrased) Fallo en el cojinete de empujee) Fallo en el vacíof) Arrastre de agua con el vaporg) Vibraciones excesivash) Dilataciones diferenciales excesivasi) Excentricidad excesivaPara impedir el funcionamiento de la turbina bajo alguna de estas condiciones se emplean

una serie de dispositivos protectores, que en algunos casos descargan la máquina (dispositivosde descarga) y en otros provocan su disparo (dispositivos de disparo).

La misión de los dispositivos de descarga es la de limitar la potencia producida por laturbina cuando las condiciones de entrada o salida de la misma son anormales. Los dispositivosde disparo, por su parte, son los encargados de originar la parada inmediata del turboalternador,eliminando la presión del aceite de mando.

Todos estos dispositivos están basados en el principio de fallo sin riego, de forma que laactuación de cualquiera de ellos causa la desaparición de la presión del aceite de mando.

8.2.1. DISPOSITIVOS DE DESCARGASe llaman dispositivos de descarga, de retroceso de carga (o run-back), a las protecciones

que responden a una determinada circunstancia reduciendo automáticamente la potencia aunvalor que es compatible con la circunstancia que desencadena el proceso.

Se trata de circunstancias o incidentes que normalmente, no impiden el funcionamientode la unidad, pero que limitan la potencia con la que se puede trabajar.

8.2.2. DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE BAJO VACÍOUna caída del valor de vacío del condensador tiene como consecuencia el aumento de la

temperatura del vapor de escape de la turbina de baja, lo cual puede originar daños sobre lasúltimas etapas de los álabes y en los tubos del condensador.

Para proteger a la turbina frente a este tipo de eventualidades se emplea un dispositivode descarga, que actúa disminuyendo el caudal de vapor que atraviesa la turbina cuando el vacíocae por debajo de un valor determinado.

8.2.3. DISPOSITIVOS DE DESCARGA POR BAJA PRESIÓN DE VAPORPara proteger a la turbina de bajadas de presión del vapor se incluye un dispositivo de

descarga, que actúa reduciendo la carga de la turbina cuando la presión de vapor caebruscamente por debajo de un determinado valor.

El control de la presión de vapor es importante para asegurar el correcto funcionamientodel sistema de regulación de la turbina. Esto está relacionado con el hecho de que si la presiónde vapor baja, la turbina demandará mayor cantidad del mismo, con lo que la presión bajaría mástodavía. Si la caída de presión fuese brusca, el repentino aumento de la demanda de vapororiginaría el transporte de agua hacia la turbina con los consiguientes peligros que ello acarrea.


62

8.2.4. DISPOSITIVOS DE DISPAROLos dispositivos de disparo responden a determinadas circunstancias, reduciendo a cero

la potencia de la turbina cortando todo paso de vapor a la misma. Se trata de circunstancias quecuando se dan, no es posible el funcionamiento de la misma sin grandes riesgos para el equipoy para las personas.

8.2.5. DISPARO POR SOBREVELOCIDADEl aumento de la velocidad de la turbina origina fatigas en los componentes que pueden

degenerar en la ruptura.Para evitar que la turbina alcance la sobrevelocidad es necesario un regulador de

velocidad, que limite ésta a un valor inferior al 110% de la nominal. Además la turbina cuentacon un dispositivo de seguridad que obliga a cerrar las válvulas de parada en caso de que sealcance la sobrevelocidad.

8.2.6. DISPARO POR FALLO DE ACEITE DE LUBRICACIÓNEste dispositivo impide el deterioro de los cojinetes y del eje que podría producirse como

consecuencia de la pérdida de lubricación de cojinetes. La pérdida de aceite puede detectarsepor:

- Bajo nivel de aceite en el tanque de almacenamiento, como consecuencia de la fuga enel circuito- Baja presión de aceite, debida a un fallo en la bomba principal.

9.2.3. DISPARO POR FALLO DEL COJINETE DE EMPUJEUn fallo en el cojinete de empuje puede originar desplazamientos excesivos del rotor, con

los consiguientes daños en álabes y cierres. Para evitar este fenómeno se dota al sistema con undispositivo de disparo.

8.2.7. DISPARO POR BAJO VACÍOSe trata de un dispositivo adicional con que cuenta el sistema para evitar el bajo vacío

y sus consecuencias en el caso de que falle el dispositivo de descarga correspondiente. Elelemento detector suele consistir en un fuelle cargado por un resorte, controlando dicho fuellela posición de la válvula piloto que pone en drenaje el aceite de mando.

El punto de vacío está fijado por la capacidad de las últimas etapas de álabes parasoportar las altas temperaturas que se alcanzan al operar con un vacío empobrecido.

8.2.8. DISPARO POR FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR COMO MOTORCuando se produce un retorno de potencia, el generador funciona como motor y la turbina

adquiere un sobrecalentamiento excesivo por el efecto de ventilación que se produciría. Con elfin de evitar este fenómeno se dispone de un dispositivo de protección que desacopla elgenerador de la red al producirse dicho retorno.

8.2.9. DISPARO MANUALEste dispositivo se basa en una válvula simple, que al ser accionada manualmente, pone

en drenaje el aceite de mando originando así el cierre rápido de las válvulas de admisión devapor. Este disparo protege a las turbinas de emergencia no cubiertas por los dispositivosautomáticos de protección, o bien ante el caso de un posible fallo de los mismos.


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9. LOS SISTEMAS CENTRALIZADOS DE CONTROLLos sistemas de control comprenden el conjunto de dispositivos orientados a la

adquisición de datos, visualización, registro, actuación y regulación que permiten el controlintegral de un proceso. El sistema de control engloba a todos los dispositivos que sirven deinterfase con el usuario y a todo el conjunto de elementos que sirven de puente entre los distintoselementos de campo (elementos primarios o de medida y los finales).

La primera tendencia hacia la centralización de los sistemas de control se inicia con lainstalación de paneles de control centralizados, que ubican, en grandes paneles longitudinales,todos los elementos individuales de indicación, registro y regulación de una planta o unidad.

10. SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC)El Control Digital Directo es un concepto de sistemas de control mediante el cual todas

las tareas lógicas se encomiendan a un único ordenador central que actúa como controlador detodos los lazos existentes. El nombre de digital se debe a que cada variable no tiene unaescrutación continua, como en el analógico, si no que dicha escrutación se hace con unadeterminada frecuencia, muchas veces por segundo, lo que permite que la respuesta no aparezcade forma continua, sino que lo hace de forma digital, es decir en forma de ceros y de unos.

El computador lleva a cabo todos los cálculos que realizaban individualmente loscontroladores P, P+I, P+I+D generando directamente las señales que van a los elementosfinales.

Las funciones que realizan son las siguientes:- Explora las variables de entrada analógicas o digitales.- Las compara con los puntos de consigna e introduce la señal de error en el algoritmode control correspondiente.- Envía las señales de salida a las válvulas de control del proceso.- Se disponen instrumentos analógicos en paralelo con el computador en los puntoscríticos y actúan como reserva en caso de fallo.Las señales procedentes de los transmisores de campo se reúnen en un terminal y pasan

a una unidad de filtrado y acondicionamiento donde son convertidas a señales digitales, para serutilizadas en los cálculos posteriores de control.

Las señales de entrada pueden tener varios orígenes:- Señales de tensión procedentes de:

- Termopares, que se caracterizan por una f.e.m. pequeña que les hace sensiblesal ruido eléctrico, no mantienen una linealidad entre la f.e.m. y la temperatura ynecesitan una compensación de la unión fría.- Reóstatos.- Tacómetros.- PH y conductividad.

- Señales de corriente procedentes de transmisores.- Variaciones de resistencia de sondas que se caracterizan por una relación no lineal conrelación a la temperatura.A continuación pasan a un multiplexor, y de ahí a un computador, que permite comprobar

cada señal de entrada y compararla entre límites prefijados para detectar si se sale fuera de estasmagnitudes y determinar así, a través de la lógica del computador, las causas de la desviacióniniciando una alarma o bien imprimiendo instrucciones para la operación de planta.

Por otro lado, el sistema DDC compara la señal enviada al elemento final de control con


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la de entrada y determina la aceptabilidad de la información para la acción de control. Si ésta noes aceptable se retiene la última posición de la válvula y el operador es avisado, tomando elcomputador una acción de emergencia. De este modo, los límites de operación del procesopueden estrecharse con seguridad de manera que éste puede llevarse a un punto de operacióncrítico sin problemas.

El DDC permite una transferencia automático-manual sin perturbaciones y admite unafácil modificación de las acciones y de las configuraciones de los sistemas de control, lo cual esmuy importante en la puesta en marcha de la planta. El DDC tiene la ventaja sobre loscontroladores convencionales de estar provisto de un calibrado automático que corresponde alas condiciones de operación instantáneas. Es decir, el computador ajusta la calibración de susalgoritmos de acuerdo con una función predeterminada de la variable medida o de unacombinación de variables en lugar de requerir periódicamente la calibración individual de cadainstrumento por un instrumentalista o especialista en instrumentos, tal como ocurre en losinstrumentos convencionales.

El conmutador propiamente dicho admite la información de entrada del sistemaproveniente de cintas o disquetes u otros tipos de soporte y almacena estos datos en una memoriaconectada a una unidad central de tratamiento compuesta por una unidad aritmética y unasección de control; de esta última salen y entran los datos del proceso a través de la interfase.

La unidad de memoria almacena las instrucciones de programa y los datos empleados porla unidad central de tratamiento.

La unidad central de tratamiento es el verdadero centro nervioso del computador alrealizar por un lado las operaciones aritméticas y lógicas (unidad aritmética) y por el otrocontrolar el flujo de datos (unidad de control).

La presentación de la información accesible al operador desde el computador puedeadoptar varias formas:

- Teleimpresores de alta velocidad.- Pantalla de televisión que muestra a voluntad del operador el estado operacional de laplanta o de una sección de la misma, o bien de un bucle de control.

Entre las ventajas del sistema DDC figuran:- Flexibilidad en el diseño del sistema de control, pudiéndose pasar fácilmente de unaacción de control a otra, diseñar la ecuación de control que más convenga al proceso, yañadir cómodamente acciones de control en adelanto o en cascada.- Rendimiento del control al trabajar muy próximamente al punto óptimo de operación.- Seguridad al poder comprobar cada variable entre unos límites prefijados.El control DDC permite eliminar la multiplicación de dispositivos locales del panel

cubriendo la misma funcionalidad, permitiendo una mejor gestión de la información y laposibilidad de control de más alto nivel.

Como contrapartida presentan los inconvenientes del gran volumen, alto precio y escasafiabilidad como para hacer depender de un solo elemento todas las labores de control de unproceso.

11. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) Y CONTROL AUTÓMATALÓGICO PROGRAMABLE (PLC)Los sistemas de control distribuido (DCS) son sistemas más actuales orientados al control

de procesos continuos, enfocados esencialmente al control global de un proceso.Los sistemas autómatas lógico programable (PLC), por su parte, están orientados al


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control de operaciones todo-nada, y se conciben desde una óptica más limitada para atenderpequeños sistemas locales englobados o no jerárquicamente en otros más complejos (porejemplo, sistemas con varios PLC encuadrados en un DCS).

El control distribuido está basado en la distribución de una aplicación de gran tamaño(gran panel, gran ordenador central) en diversos subsistemas, cada uno de los cuales ejecuta unaparte de la aplicación, con capacidad de comunicarse entre sí, lo que permite una central desupervisión única con acceso a información de los diversos subsistemas.

En la práctica esta distribución es funcional frente al control centralizado, concretada enla utilización de múltiples microprocesadores cada uno de los cuales atiende digitalmente alcontrol de un número limitado de acciones, y además geográfica, caracterizada por lalocalización de armarios que contienen conjuntos de elementos de control y adquisición de datosmás próximos a la ubicación del proceso controlado, con la consecuente reducción del cableadoentre campos y dichos armarios. La concepción “distribuida” no impide por otra parte que losdistintos armarios de control se comuniquen con una única sala de control “centralizada”.

Junto a la característica de la distribución, los sistemas de control modernos (tanto DCScomo PLC) basan su hegemonía en las siguientes características que ponen de manifiesto susupremacía frente a otras alternativas:

- Funcionamiento digital: frente a los sistemas de relés y los controladores analógicos.- Características configurables: la utilización de microprocesadores permite el diseño desistemas basados en tarjetas universales, cuyas características se definen en cada casomediante programación.- Fiabilidad: la distribución de las tareas de control entre diversos elementos disminuyeel riesgo de caída global del sistema completo.- Facilidad de ampliación, al ser fundamentalmente modular.- Futura compatibilidad con sus nuevas generaciones.- Integración en una sola estructura de los diversos niveles de control.

Los componentes básicos tanto de DCS como de un sistema basado en PLC son:- Estaciones de control y adquisición de datos: constituidos esencialmente por un bastidoren el que se incorporan las tarjetas de control.- Interfases hombre/máquina: constituidos por monitores y teclados que permiten,respectivamente, la recepción de la información del proceso por el operador y el envíode consignas de éste al proceso.- Red de comunicaciones: entre los distintos elementos que componen el sistemadistribuido.- Software de configuración-programación del sistema.- Estaciones auxiliares: destinadas a funciones complementarias, como gestión decomunicaciones o funciones de ingeniería.El ordenador personal también se ha incorporado al control distribuido. Permite la

visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo detransmisión, el acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de lostransmisores.

Como se ha comentado en párrafos anteriores, el controlador básico del sistema es unmicroprocesador que proporciona los clásicos controles PID y otros algoritmos de control. Esapto para el manejo de 8 lazos que proporciona, entre otros, los siguientes algoritmos de control:

Salida manualPID normal


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PID con ajuste externo del punto de consignaPID con control anticipativoAdelanto-retardoSumadorMultiplicador-DivisorRelaciónExtracción de raíz cuadradaRampas programadas (temperatura en procesos discontinuos)Contador

Estos algoritmos pueden configurarse definiéndose de este modo, el último modo decontrol a retener en caso de avería, las unidades de ingeniería (tipo termopar, termorresistencia,...), la acción de control (directa, inversa), el tipo de señal de entrada (lineal, raíz cuadrada,...),las alarmas, etc.

El contador multifunción que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto nivel,se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control lógico que permitenregular un proceso discontinuo (batch control), y el manejo de procesos complejos, en los queel controlador básico está limitado.

El control secuencia enlaza el control analógico (modulante con posiciones que varíancontinuamente en la válvula de control) con el control lógico. Por ejemplo, el arranque y el parode una caldera de vapor deben hacerse de modo secuencial para eliminar totalmente el riesgo deuna explosión que ocurriría si, en el peor de los casos, entrara agua en la caldera con un nivelmuy bajo y con los tubos del serpentín al rojo. El control secuencial se realiza con un conjuntode instrucciones o sentencias, parecidas a programas de ordenador, que establezcan en el tiempolos puntos de ajuste de cada elemento para que tenga lugar la secuencia deseada. El lenguajeempleado es de alto nivel, parecido al BASIC, y orientado al usuario del ordenador personal, porlo que es fácil de escribir y de interpretar.

Los controladores programables sustituyen a los relés convencionales utilizados en laindustria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y parael accionamiento de los motores de la planta, con el correspondiente panel o cuadro de mandosy con los consiguientes cables de conexión, voluminosos y caros, el controlador programableaporta la solución versátil, práctica y elegante del software en un lenguaje especial, basado enla lógica de relés.

El teclado del ordenador dispone de símbolos que representan la lógica de los contactos:NA (normalmente abierto), NC (normalmente cerrado), temporización ON u OFF, contador,constante, etc...

De este modo pueden desarrollarse programas que representen cualquier circuito deenclavamiento, y comprobarlos con un simulador de contactos, antes de acoplar el controladorprogramable a la planta.

La estación del operador proporciona la comunicación con todas las señales de la plantapara el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. Lapresentación de la información a cada uno de ellos, se realiza mediante programas de operación.De este modo:

- El operador de proceso ve en la pantalla/as un gráfico/os del proceso que le interesa,y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de tendencia, el estadode las alarmas, etc.- El ingeniero de proceso puede editar programas del proceso, construir las


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representaciones en la pantalla de las partes del proceso, etc.- El técnico de mantenimiento puede fundamentalmente diagnosticar y resolverproblemas en los elementos de control distribuido de la planta.El conmutador permite implementar los programas de aplicación de los usuarios,

destinados a obtener información determinada de la planta, y procesarla con objeto de analizarlamás adelante. El sistema se presta a optimizar variables, hacer cálculos especiales o complejossobre balance de energía.

Por otro lado el computador puede comunicarse con otros ordenadores de mayorcapacidad que influyen en la producción y en su rendimiento, y sobre los datos analíticos quese utilicen en la optimización de la planta. Y, como es lógico, esta información actual obtenidadel proceso es accesible a la dirección, que puede utilizarla para el control de costos de planta.

La tendencia del computador es a generar cada vez más información, la que debe sertrasmitida rápidamente dentro de la planta, y a veces en tiempo real. Esta información esmanejada por los llamados periféricos del ordenador. Estos periféricos deben trabajar a la mismavelocidad que los sistemas basados en los procesadores Pentium.

Otro punto importante en el control de procesos son las alarmas. Existen alarmas de altoy bajo valor de la variable, alarmas de desviación entre el punto de consigna y la variablecontrolada, alarmas de tendencia que actúan si la variación de la variable excede un valorprefijado, alarmas de estado de la señal o de salida, etc.

Si una alarma actúa demasiadas veces durante el día se deberá a un mal diseño, a unacondición del proceso que hay que corregir. La solución a este tipo de casos es la llamada alarmainteligente que actúa siguiendo la lógica del circuito.

El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemasconvencionales de control, contando con las siguientes ventajas:

- Disponen de un sistema de autocalibración y diagnóstico de averías que permite alpersonal de mantenimiento localizarlas y resolverlas rápidamente, caso de que seproduzcan. El sistema es redundante y puede considerarse como una inteligenciadistribuida que, en forma parecida a la humana, limita las consecuencias de un fallo,manteniendo el control del sistema.- Alta fiabilidad del equipo, con un alto número de horas/fallo de los elementos de unsistema de control distribuido.- Alta disponibilidad, es decir, fracción de tiempo que el sistema está operable grande

12. SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO (APC)Son aquellos que se apartan de las técnicas tradicionales realizadas con controladores

neumáticos o electrónicos analógicos PID, control de relación y control en cascada y que, engeneral, se emplean para mejorar el rendimiento del económico proceso.

Cuando el control convencional presenta problemas, por no ser el proceso bien conocido,ser complejo, presentar importantes retardos y grandes perturbaciones e interacciones y sermarcadamente no lineal, la alternativa es el control avanzado.

La estrategia del control avanzado viene definida por la estimación de los costos ycuantificación de los beneficios, el establecimiento de los recursos humanos y un plan deviabilidad.

El costo es importante; deben definirse estrategias y los bloques de control del softwarey del hardware, los programas de simulación y de optimización, los protocolos de comunicación,los recursos humanos y las puestas en marcha. La aplicación de los sistemas de control avanzado


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crece día a día por los beneficios que permite conseguir en la automatización de la planta. Lasventajas que presenta la aplicación de los sistemas de control avanzado abarcan:

- El ahorro de energía conseguido en la operación de la planta.- El aumento de la capacidad de producción y disminución del costo de operación de laplanta.Corresponde al control avanzado el control anticipativo, y el control con restricciones

donde se imponen limitaciones a la variable controlada.En el control multivariable existe una relación de influencia entre varias variables del

proceso que se controla. En una planta, la mayoría de los lazos de control son de una entrada yuna salida y pueden ser controlados satisfactoriamente con un instrumento PID. Sin embargo,algunos lazos son de múltiples variables que se influyen mutuamente, existiendo métodos parael control de las multivariables que se ejecutan con ordenador, como modelización de procesopor ecuaciones de estado, o con control predictivo.

En las calderas, el sistema compensa en circuito cerrado las perturbaciones que sepresentan en la operación de la caldera, para reducir el consumo de combustible. El sistemadispone de un elemento de simulación y optimización de la caldera que recibe todos los datosde operación y los datos económicos de funcionamiento, y determina la forma óptima paraoperar la caldera, calculando los puntos de consigna de los controladores. El sistema permite laoperación on-line, es decir, el funcionamiento en tiempo real de la caldera, y off-line, es decirun estudio del comportamiento del sistema ante ensayos de funcionamiento sin peligro para elcontrol de la caldera. En este último caso pueden probarse diversas hipótesis y sus consecuenciasen el control de la caldera. En otras palabras, el control avanzado contesta a la pregunta ¿Quépasaría si...?.

El sistema permite la optimización en el uso de diversos combustibles y el cálculo delcoste de la energía eléctrica suministrada por la turbina. Esta se utiliza en el aprovechamientode la energía eléctrica suministrada por el vapor y no utilizada en la planta, la que se envía yfactura a la compañía eléctrica.

La implementación de aplicaciones de control avanzado, requiere la disponibilidad deciertas funcionalidades dentro del DCS. Tradicionalmente dichas aplicaciones requeríasobligatoriamente la existencia de un ordenador, con la adecuada interfase con el sistema decontrol distribuido. Esta interfase se refiere tanto a su interconexión física con la red de plantamediante tarjetas o puertas adecuadas, como al software para el acceso a tiempo real delordenador.

El progresivo incremento de la capacidad de procesamiento de las unidades del DCS hadetraído de los software gran parte de sus funciones originales de control avanzado,complementarias de las facilitadas por el propio DCS, que han pasado a poder ser soportadasdirectamente por el mismo. De hecho hoy en día prácticamente todas las funciones denominadasde control avanzado pueden ser soportadas directamente por la mayoría de los DCS.

El objetivo del control estadístico de proceso (SPC) es monitorizar el comportamientode las variables aleatorias que pueden conducir a problemas de control. La tendencia del controldistribuido es a incorporar este tipo de control, extrayendo la información de la base de datos delos históricos del sistema. Los cálculos que realiza el control estadístico abarcan la determinaciónde la media, la desviación estándar, los valores periódicos máximos y mínimos, etc.

El sistema trabaja en tiempo real con leyes de probabilidad de las variables para losvalores no aleatorios y presenta los resultados en forma de gráficos generales y de tendencia, yde tablas. Este tipo de control, mediante visualizaciones especiales, alerta al operador para que


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pueda actuar sobre el proceso.El control avanzado cuenta con varios tipos de gráficos: los gráficos de control

estadístico típicos y los gráficos de suma acumulativa (CUSUM), que representan la sumaalgebraica de la variable menos el promedio. De este modo, cuando se presenta una tendenciaclara de la variable, el gráfico indica un movimiento muy pronunciado y señala el tiempo en queocurrió.

El control estadístico del proceso permite relacionar la ocurrencia de los problemas consu coste asociado, de modo que muestra la frecuencia de los mismos dando prioridad a los demayor coste. De este modo pueden determinarse las causas y los efectos (análisis de árbol defallos) y realizar los estudios de correlación y de influencia de parámetros en la marcha delproceso.

Y así puede averiguarse si un instrumento está averiado en el sentido de que ha quedadobloqueado en su señal de salida, si una válvula de control está con el obturador agarrotado pordeformación del vástago o por otra causa, si los puntos de indicación de algunas variables hanvariado significativamente para que puedan representar algún problema de desviación, etc.

El sistema puede trabajar en tiempo real con leyes de probabilidad de las variables paralos valores no aleatorios y presentar los gráficos en forma de gráficos de tendencia, de tablas yde gráficos en general. Este tipo de control, mediante visualizaciones especiales, alerta aloperador para que pueda actuar sobre un proceso.

Los beneficios que proporciona este sistema abarcan: evitar paros de la planta, impedirque las variables salgan fuera de control (dentro de los posible), asistir al departamento demantenimiento en los programas de mantenimiento preventivo.


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Figura 56: Simbología de dispositivos utilizados en control digital


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control de centrales tÉrmicas sistemas de control de...

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