Sistema de control de agua de alimentación

Sistema de control de agua de alimentación

Boletín IIE
Artículos de investigación
Letting off steam
(Sistema de control de agua de alimentación)
A modification of a conventional feed water three-element
control strategy to solve problems of drum level control
Miguel Ángel Delgadillo Valencia y María Aurora Hernández Cuéllar
Publicado originalmente en: InTech, Vol. 54, Febrero 2007, No. 2, páginas 50-54.
Abstract
A
control strategy for the drum level control of a combined cycle power plant
is presented. This strategy is based on the conventional three element
system with variable proportional gain in the master and slave controllers.
The dynamic behavior of the proposed strategy is compared with a former one
showing a better answer especially at full load (generated electric energy) with the
supplementary fire (duct burners or after burners) in operation. When the feed water
control valve is near its full opening, this strategy can avoid as much as possible the
saturation of the control signal to the valve, with elimination of the permanent oscillation of the controlled variable (drum level).
The control system behavior also shows good stability from start up to full load,
including the transition from one to three elements operating mode and vice verse,
as well as the duct burners’ ignition. Similar stability is shown during the stop of the
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Heat Recovery Steam Generator (HRSG) from full load with
duct fire in operation to the HRSG out of service.
Due to the performance of the blocks communication software of the commercial equipment in use, a transition band
of the steam flow signal is proposed, in order to assure a three
to one or one to three element bump less transfer operation.
Simulation laboratory tests were applied to the proposed
control strategy with a simplified dynamic process model,
before the control system was put into operation in site. Real
process runs and the control-tune parameters are presented.
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Artículos de investigación
E
studios de investigación muestran interés en
resolver problemas de inestabilidad de control
de nivel, en generadores de vapor de plantas
generadoras de energía eléctrica, diseñando modelos
del fenómeno del nivel del domo, para establecer una
estrategia de control para sistemas de control de agua
de alimentación. Sin embargo, una estrategia de control
basada en un modelo puede ser difícil de entender para
los ingenieros de control, especialmente para aquéllos
con experiencias de campo con lazos de controladores
tipo proporcional – integral – derivativo (PID), pero sin
experiencia en estrategias de control moderno. Aquí se
propone una estrategia de control de tres elementos de
agua de alimentación convencional modificada, que es
fácil de entender y resuelve algunas situaciones problemáticas de control del nivel del domo.
La nueva estrategia puede permitir un mejor desempeño, especialmente a carga plena (energía eléctrica
generada) con el fuego adicional (del ducto de los
quemadores o de los quemadores posteriores) en
operación, donde la válvula de control de agua de
alimentación está próxima a su apertura total. Tal estrategia evita, en la medida de lo posible, la saturación de
la señal de control a la válvula, eliminando la oscilación
permanente de la variable controlada (nivel del domo).
El comportamiento del sistema de control también
muestra una buena estabilidad desde el arranque
hasta carga plena, incluyendo la transición del modo
de operación de 1 a 3 elementos y viceversa, así como
en la entrada de los quemadores del ducto. Igualmente
se observa estabilidad durante el paro del generador
de vapor recuperador de calor o Heat Recovery Steam
Generator (HRGC), desde carga plena con los quemadores de ducto en operación, hasta que el HRSG queda
fuera de servicio.
Debido a los retrasos de tiempo en la comunicación
entre los bloques del lenguaje de programación del
fabricante, mediante una banda de transición, a la señal
de flujo de vapor como señal de transición, se asegura
un amortiguamiento en la operación de transferencia
de 1 a 3 ó de 3 a 1 elementos. El sistema de control
se probó mediante simulaciones en laboratorio, con
un modelo del proceso dinámico simplificado, antes
de poner al sistema de control en operación en sitio.
Las pruebas mostraron corridas del proceso real y la
sintonía de los parámetros de control.
El caso de Dos Bocas Veracruz
El sistema de agua de alimentación del HRSG de la Central de Generación
de Ciclo Combinado en Dos Bocas Veracruz, tenía un sistema de control
convencional de agua de alimentación de tres elementos, operando con
elementos analógicos, además de que el domo de vapor es vertical, lo que
hace al control de nivel tener menos capacitancia (volumen por unidad de
nivel) y por lo tanto, la respuesta dinámica del nivel es más sensible que la
de los domos horizontales.
Con la modernización del equipo de control (inicialmente instalado con
equipo analógico), fue necesario trasladar la estrategia de control a un
medio ambiente digital, lo que permitió programar una estrategia más
compleja para mejorar el desempeño del control. Sin embargo, se necesitó
enfrentar el problema del tiempo de ejecución de los elementos de fieldbus, que introduce tiempo muerto y al tiempo de sincronización de cada
elemento.
Controlando el nivel del domo
El problema de controlar el nivel del domo, involucra las condiciones de
operación de éste y del deareador, desde el arranque hasta carga plena,
y debido a que hay otro HRSG conectado al mismo cabezal principal, la
influencia de uno sobre el otro añade un elemento adicional a tener en
cuenta por la estrategia de control y sintonía.
Tradicionalmente y debido al problema de rangeabilidad de los elementos
de medición de presión diferencial de los flujos de vapor y agua de alimentación, se diseña la estrategia de control para operar en el arranque de un
HRSG en el modo de un elemento, es decir, con la señal del nivel del domo
como una señal de control de retroalimentación, en un lazo de entrada y
salida simples.
Con el objeto de asegurar la confiabilidad en las señales de flujo, se seleccionó el punto de transición del modo de 1 a 3 elementos entre el 10% y el
16% del rango de medición del flujo de vapor, en este caso entre 50 mil a
80 mil libras por hora.
Una situación crítica operativa aparece cuando se alcanza la carga plena
y la válvula de control de agua de alimentación está trabajando cerca de
su apertura total. Esto introduce a menudo, un comportamiento oscilatorio
en todas las variables de control de los controladores maestro y esclavo,
debido a la capacidad limitada de la válvula de agua de alimentación para
situaciones de control, donde la introducción de disturbios requiere que la
respuesta vaya más allá de la capacidad de la válvula.
Cuando la frecuencia natural de los controladores maestro y esclavo es
similar surge otro problema: el comportamiento de oscilaciones en todas
las variables de control.
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Nueva estrategia de control
La implantación de programas en equipo de control comercial moderno,
ofrece una buena estabilidad y un buen desempeño de éste, desde el
arranque hasta la carga plena, incluyendo el arranque y disparo de los
quemadores del ducto. Esto incluye el modo de transferencia suave de
auto a manual y de manual a auto. Lo mismo sucede para el modo de transferencia de 1 a 3 y de 3 a 1 elementos, en cualquier punto de operación. El
sistema de control de agua de alimentación puede vivir en armonía con los
lazos de control de presión y del nivel del deareador. El sistema de control
debe mantenerse durante el arranque y disparo del otro HRSG, conectado
al mismo cabezal de vapor.
Para lograr estos objetivos, a la estrategia de control convencional de 3
elementos se le agregó, en el controlador maestro, una ganancia proporcional como función del error del nivel y una ganancia proporcional como
función del flujo de vapor en el controlador esclavo.
La ganancia proporcional variable en el controlador maestro proporciona
buena estabilidad, cuando el nivel está cerca de su punto de ajuste, obteniendo una ganancia baja. Cuando el error de nivel absoluto aumenta, la
ganancia proporcional también lo hace, hasta que el nivel alcanza su valor
límite.
Se propuso la ganancia proporcional variable del controlador esclavo como
una función del flujo de vapor y éste permanece constante, hasta que el
flujo de vapor alcanza las 380 mil libras por hora. A partir de este valor, la
ganancia proporcional se incrementa linealmente, hasta que el flujo de
vapor alcanza 390 mil libras por hora.
Más allá de este valor del flujo de vapor, la ganancia proporcional es constante. La razón para incrementar esta ganancia, en cargas cercanas a la de
generación de carga máxima, es proporcionar una señal de respuesta más
fuerte a la válvula de agua de alimentación. Esto evita, en la medida de lo
posible, la saturación de la posición de la válvula de control y de esta forma
se elimina el comportamiento oscilatorio en todas las variables del sistema
de agua de alimentación.
Con la finalidad de tener una interfaz de operador
amigable, se diseñó una estrategia de control, de tal
forma que la carátula del controlador maestro fuera
el único lugar para realizar la operación de transferencia manual/auto y auto/manual. De esta manera,
el operador manipularía la válvula de control desde
la carátula, sin tener que ver el controlador esclavo, u
operarlo en cualquier momento. Así, el controlador
esclavo siempre está en auto, o siguiendo a la señal de
salida del controlador maestro.
Debido a que a la herramienta de programación le toma
tiempo ejecutar la comunicación entre los bloques en
el equipo de control, se propuso hacer la transferencia
del modo de operación de 1 a 3 elementos dentro de
una banda, con el objeto de asegurar que el diálogo
de comunicación de la transición terminara completamente, sin el temor a que una acción inversa en el flujo
de vapor interrumpiera la operación de transferencia.
Por lo tanto, debajo de 50 mil libras por hora de vapor,
el modo de control de 1 elemento siempre está en
operación. Para flujos de vapor arriba de 80 mil libras
por hora, se asegura el modo de control de 3 elementos.
Sin embargo, cuando el flujo de vapor va hacia arriba,
el modo de control de 1 elemento está en operación,
hasta que éste excede 80 mil libras por hora. Cuando
el flujo de vapor va hacia abajo, mantiene el modo de
operación de 3 elementos, hasta que éste alcanza las
50 mil libras por hora.
Adicionalmente se introdujo otra acción de seguridad
con una lógica de programación, para imposibilitar la
interrupción de la operación de transferencia de 1 a 3
elementos o de 3 a 1 elemento, desactivando la operación de transferencia de auto a manual y viceversa.
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Simulación del proceso
Se diseñó un modelo simplificado del proceso para probar la estrategia de
control, antes de implantarla como una versión final en sitio, corriendo con
el proceso real. El modelo se programó en el lenguaje del nuevo equipo de
control, conectándolo internamente con la estrategia de control.
Ya que el flujo del vapor y la carga están estrechamente vinculados, se
utilizó la apertura de la válvula de estrangulamiento para simular cambios
de carga y de esta manera aplicar pruebas de desempeño a lo largo de
todo el rango de carga. Una vez que el flujo de vapor alcanza 80 mil libras
por hora, la estrategia de control se transfiere automáticamente al modo
de operación de 3 elementos, sin generar disturbio.
Mientras el flujo de vapor está ascendiendo, el sistema de control es capaz
de mantener todas las variables del domo bajo un margen de control aceptable y cuando éste alcanza la carga plena, la señal de salida hacia la válvula
de agua de alimentación, puede caer en un comportamiento cíclico, con
saturación de la apertura de la válvula (la válvula abierta al 100%); la
ganancia proporcional del controlador esclavo es constante en la curva
caracterizada con ese flujo de vapor. Así que cuando el flujo está cerca
de la carga base, con los quemadores adicionales (de ducto) en servicio,
a máximo flujo de calor, cualquier cambio en las condiciones del proceso
puede requerir una apertura de la válvula más allá de su capacidad, para
lo cual el controlador esclavo calcula una ganancia proporcional mayor,
garantizando la estabilidad del proceso.
Resultados anteriores de
la estrategia
Antes de que se implantara la estrategia de ganancia
variable, se puso en operación una estrategia digital
convencional de 3 elementos. Con el funcionamiento
próximo a carga plena, las inestabilidades podían
forzar al operador a transferir a modo manual, cuando
además el nivel del domo alcanzaba 20 pulgadas y las
demás variables de control entraban en un comportamiento oscilatorio.
Usando el modelo del proceso, las pruebas de simulación en laboratorio, permitieron corregir errores,
antes de poner la estrategia del control en operación
en sitio. Con estas pruebas se obtuvo adicionalmente,
un conjunto de parámetros de sintonía iniciales, para
poner el equipo del control en funcionamiento con el
proceso real.
La disponibilidad en el nuevo equipo de control
digital, permitió programar estrategias de control más
complejas, con ganancia proporcional variable como
una función del error. Este trabajo demostró ser útil,
para mejorar el desempeño de la estrategia de control
convencional de agua de alimentación de 3 elementos.
Otra ventaja de la ganancia variable, es que al ajustar
los parámetros de sintonía en función del punto de
operación, como fue aplicado al controlador esclavo,
donde la ganancia proporcional variable es una función
del flujo de vapor, se obtuvieron resultados satisfactorios, mejorando el desempeño a carga plena.
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Referencias
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Response, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 5, No. 4, December 1990,
pages 686-692.
N. D. Aleksandrova and N. I. Davydov, A Dynamic Model for Drum Boiler Circulation
Circuit, Thermal Engineering, Vol. 40, No. 2, 1993, pages 97-101.
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Dynamics Simulation, IEEE Transactions on Power System, Vol. 14, No. 1, February
1999, pages 209-217.
K. J. Aström, R. D. Bell, Drum Boiler Dynamics, Automática 36 (2000), pages 363-378.
V. F. Kuzishchin, V. P. Zver’kov and I. E. Gryaznov, Using PROTAR Programmable Controllers in Drum Boiler Control Systems, Thermal Engineering, Vol. 42, No. 10, 1995, pages
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N. D. Aleksandrova and N. I. Davydov, An Analysis of Self-Exited Oscillations in an Automatic Control System for the Level in a Boiler Drum, Thermal Engineering, Vol. 40, No.
10, 1993, pages 757-762.
MIGUEL ÁNGEL DELGADILLO VALENCIA [[email protected]]
Ingeniero Químico Industrial egresado del Instituto Politécnico Nacional
en1970. Maestro en Ingeniería por la Universidad de Hiroshima, Japón en
1979, en la especialidad de Fenómenos de Transporte. Recibió entrenamiento técnico en Ingeniería de Instrumentación en Japón, de 1971 a 1972.
Actualmente es candidato al grado de Doctor, en el área de Ingeniería Eléctrica, Campo Control, por la Universidad Nacional Autónoma de México
(UNAM).
Desde 1979 es investigador en el Área de Control e Instrumentación, donde
ha sido líder de varios proyectos. Tiene experiencia docente desde 1988
en la Maestría de Ingeniería de Proyectos, en la Facultad de Química de la
UNAM, y en la Universidad Autónoma de Puebla de1999 a la fecha (2008).
Ha dirigido tesis de licenciatura y maestría y ha dirigido a alumnos en sus
trabajos de prácticas y servicio profesional. Ha impartido innumerables
cursos de su especialidad: Instrumentación, Análisis Dinámico de Procesos
y Control de Procesos, a empresas como Termoeléctricas de la CFE, Petróleos Mexicanos, compañía Nestlé, y otras, fuera del Instituto de Investigaciones Eléctricas.
MARÍA AURORA HERNÁNDEZ CUÉLLAR [[email protected]]
Ingeniera Industrial Química por el Instituto Tecnológico de Aguascalientes, México. En 1984
ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas, en el área de Control e Instrumentación.
En 1989 obtuvo el grado de Maestría en Sistemas Computacionales por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM). De 1990 a 1993 fue miembro del Sistema
Nacional de Investigadores. Desde 1990 ha desarrollado varios sistemas de cómputo para las
Áreas de Instrumentación y Control del IIE y se ha desempeñado como jefe de proyecto en la
transferencia de Sistemas de Control de Turbinas de Gas en equipos comerciales; Desarrollo
de la Ingeniería de la Instrumentación y Control para una Central Eléctrica de Carbón para
el Sistema Eléctrico Centroamericano; con Pemex Exploración y Producción en la especificación del software y hardware especializado para estudios relacionados con la extracción del
petróleo. De 2003 a la fecha (2008) ha participado en proyectos de modernización y diseño de
nuevas estrategias de control, así como en la puesta en servicio de plantas de generación con
turbinas de gas.
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