Dedicamos un nuevo artículo a los
sistemas de bombeo, equipos de gran consumo energético que condicionan la
rentabilidad de muchos negocios. En esta ocasión nos centramos en las opciones
que los sistemas DCS tienen en este tipo de instalaciones.
Como ocurre con tantas otras
tecnologías, los modernos sistemas de control distribuido ofrecen capacidades
que hubiesen parecido increíbles hace tan solo unos años. Características tales
como los ambientes de ingeniería gráfica integrada, controles de secuenciación
simplificados, e interfaces hombre – máquina mejorados (HMI) hacen que los
niveles más altos de automatización sean prácticos desde el punto de vista de
la implementación, mantenimiento, y facilidad de uso. El momento de estos
avances no puede ser mejor. Conseguir el equilibrio de las plantas existentes
sobre la base de la automatización del diseño reduce las necesidades de
operadores y es esencial para cumplir la demanda de mejora de la productividad
y eficiencia energética en las plantas.
Como ejemplo, el siguiente caso
describe la automatización del sistema de alimentación de agua en una planta de
generación de ciclo combinado. Los controles legacy DCS existentes están
probados y son fiables; sin embargo, la secuencia de las operaciones y
coordinación de controles de regulación no estaban automatizados, lo cual
requería un alto grado de conocimiento y atención por parte del operador. Este
caso describe una combinación de estrategias de automatización de control y
técnicas HMI diseñados para incrementar el nivel de automatización total
mientras se mejora el uso por los operadores y personal de mantenimiento.
(Nota: Los ejemplos DCS fueron desarrollados usando la plataforma SPPA-T3000
DCS de Siemens.
Disposición
en planta hipotética
La planta hipotética consiste en
dos turbinas de combustión de ciclo combinado, cada una de ellas con un
generador de vapor para recuperación de calor (HRSG). Ambas unidades HRSG se
acoplaron a una única turbina de vapor con un alimentador de agua caliente
suministrado con un condensador y el hotwell, el receptáculo para el agua
caliente extraído del condensador por la bomba de aire.
Mirando un único HRSG, el tren de
agua de alimentación consiste en un par de bombas de agua de alimentación y una
serie de tres tambores de baja presión (LP), cabezales de vapor de alta presión
(HP) y presión intermedia (IP). Las bombas de alimentación de agua transfieren
el agua de alimentación del tambor de LP a los tambores IP y HP. Se mantienen
mínimos caudales a través de la bomba por una línea de recirculación hacia
atrás del tambor LP con válvula de modulación y punto de referencia de caudal
variable calculados por las curvas de operación del fabricante de la bomba. Ambas
bombas comparten las líneas de suministro y válvulas a los drums IP y HP. Cada
bomba está equipada con un variador de frecuencia variable para el control de
la velocidad y tiene una bomba de aceite dedicada.
Control
de nivel del tambor existente
El control del agua de
alimentación a los tambores IP y HP
consisten tanto en el control simple y de tres elementos. Los controles de tres
elementos modulan la válvula de alimentación a cada tambor basándose en el
nivel. El control de tres elementos usa caudal de vapor del tambor como una
señal feedforward a un controlador del caudal del agua de alimentación cuyo
punto de referencia es modulado para mantener el nivel del tambor deseado. La
velocidad de la bomba se modula para ajustar los caudales IP y HP en
coordinación con las válvulas de alimentación de agua de la siguiente forma:
· Control de variador de frecuencia variable y
válvulas del agua de alimentación se aplican independientemente del control de
nivel de uno o tres elementos.
· Los variadores de velocidad funcionan a mínima
velocidad, modulando la válvula IP para mantener el nivel del tambor IP y la
válvula de arranque de HP para mantener el nivel del tambor HP hasta que la
válvula de arranque de HP esté completamente abierta.
· Una vez la válvula de arranque de HP está
completamente abierta, el variador modulará para mantener la válvula IP dentro
de su rango de corriente (<85 %).
· Si la válvula IP está >85 % abierta y la
válvula de arranque HP está completamente abierta, se incrementa la velocidad
del variador hasta que la salida de la válvula IP es <85 %. Se modula la
válvula del agua de alimentación principal HP para mantener el nivel del tambor
HP.
HMI
de la línea base existente
La interface del operador
existente para cada tren del agua de alimentación consiste en tres gráficas de
pantalla completa. La primear es una esquemática lineal del sistema de agua de alimentación,
mostrando las bombas y líneas de descarga, pero no los tambores. La segunda
gráfica es una colección de placas para el control de dispositivos discretos y
controles regulatorios. El último display es una colección tabular de datos de
operación de planta, incluyendo bombas de agua de alimentación. Cada bomba de
alimentación tiene numerosos enclavamientos del proceso que no son accesibles
desde el HMI.
Asunciones
del caso estudiado
Las asunciones para el caso
estudiado son las siguientes:
· Sólo se consideran operaciones normales (no
potencias aumentadas).
· El fallo de las bombas arrancará el dispositivo
de standby sin válvulas de descarga comunes.
· La orden de cierre parará todas las bombas y
cerrará las válvulas en el sistema de alimentación.
· Los variadores de frecuencia y coordinación de
las válvulas del agua de alimentación como se suministra en las tuberías
apareció incorrecta.
Estrategias
de control propuestas
Los operadores y personal de
mantenimiento pueden usar numerosas estrategias de control para mejorar la
operación de sus sistemas de bombas de alimentación de agua.
Control
en bucle abierto
Hay muchos métodos posibles para
automatizar los sistemas de bombas de alimentación de las calderas. El método
elegido minimiza el número de secuencias así que el operador puede fácilmente
seguir las acciones del sistema de automatización. La secuencia se usa para
colocar el equipo en servicio y colocar los controles del bucle cerrado en los
modos relevantes, tales como relleno, nivel del tambor de arranque, y control
de nivel del tambor normal. La lógica de protección se lleva a cabo
directamente al nivel del dispositivo. Una operación principio es que el
operador tiene la opción de controlar en cualquier momento.
Secuencia
lógica
La secuencia completa no comienza
con el funcionamiento de las bombas, sino que el operador debe llevar a cabo
los controles manuales requeridos. Una vez que el sistema está listo, se aíslan
los tambores IP y HP, la trayectoria de recirculación se abre, arrancan las
bombas de aceite, y la bomba seleccionada arranca.
Parada
La secuencia de parada inicia el
cierre de las válvulas de aislamiento y el agua de alimentación IP y HP, además
de las bombas de agua de alimentación y bombas de aceite.
Conceptos
de HMI para robustez
Varios conceptos integrados en el
HMI tienen el propósito de mejorar la interface del operador. Un gráfico de
proceso simple simplifica la navegación además de controlar el sistema de
alimentación.
Gráficos
de proceso simples
Un gráfico de procesos
consolidado simple abarca los componentes principales del sistema de
alimentación de agua, incluyendo los tambores LP, IP y HP.
Estrategias
de control de variador de frecuencia variable
Probado que se mantiene una
operación estable, reducir la carga de la bomba da como resultado un ahorro de
energía significativo. Asumiendo una carga eléctrica de planta de
aproximadamente 1,5 MW para la bomba de alimentación, una reducción del 10 % en
la carga de la bomba ahorrarán alrededor de 1.300 MWh anualmente.
El variador arranca a mínima
velocidad (un 35 % de cobertura respecto a máximos). Se incrementa en lo que
sea necesario una vez que las válvulas están en el extremo superior de su rango
de control y sólo modulan mientras la válvula IP está abierta menos de un 85 %.
Una consecuencia de esta estrategia es una respuesta de control inconexa y un
acoplamiento no deseable de los niveles del tambor IP y HP. Por ejemplo, cuando
se incrementa la velocidad del variador, las válvulas IP y HP estrangulan en
respuesta a un incremento del caudal. Una vez que la válvula IP estrangula por
debajo de 85 %, el variador queda por encima de su velocidad mínima
indefinidamente. Una aproximación alternativa es cambiar la estrategia del
variador introduciendo un controlador de anulación. Por simplicidad, se usa una
salida simple para el tambor HP. Por simplicidad, se usa una salida simple para
el drum HP.
Bibliografía: Fully automating HRSG Feedwater
Pumps. Power June vol 155
Palabras clave: Modern distributed control system
(DCS) platform, integrated graphical engineering environment
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