Automatización de bombas centrífugas utilizando autómatas programables (PLCs)

En este artículo describimos el procedimiento de automatización para supervisar y diagnosticar bombas centrífugas en la gestión de activos de plantas de procesos. Una solución de bajo coste puede alcanzarse por una combinación inteligente e interpretación lógica de valores de procesos medidos que están ya disponibles en el DCS, en contraste con sistemas de supervisión de las condiciones de gama alta basados en sensores adicionales dedicados, ejemplo sensores de vibración con sensores por la estructura del sonido. La exposición la realizamos utilizando el sistema SIMATIC PCS 7 de Siemens.

Áreas de aplicación

Las bombas son una de las máquinas rotatorias más comunes en las plantas de proceso. El uso de PLCs ofrece una solución efectiva en costes para supervisar y diagnosticar bombas centrífugas. Se basa en una combinación inteligente e interpretación lógica de los valores del proceso medidos que están (mayoritariamente) ya disponibles en el DCS. Las funciones disponibles son:

• Proporcionan avisos contra daños potenciales a las bombas bajo condiciones de operación no favorables ((bloqueo, funcionamiento en seco, transporte de gas, cavitación, sobrecarga, dirección de rotación incorrecta).
• Proporcionan una detección temprana en el desarrollo de la degradación de la bomba (desgaste y rotura, disminución de la eficiencia del bombeo).
• Optimización del diseño de la bomba en el largo plazo por medio de análisis estadísticos de los datos de operación y perfiles de carga. Esto permite obtener un ahorro energético adicional.

Los PLCs pueden usarse para impulsar bombas centrífugas con velocidad variable o velocidad constante.

Funciones

Las funciones del PLC trabajando con bombas son las siguientes:

Análisis y representación gráfica de las características de los datos de la bomba y estados de operación.

• Valores de potencia: Entrada de potencia eléctrica en el motor, potencia mecánica del motor, potencia hidráulica transmitida por la bomba.
• Características de la altura transmitida: Representación de la altura como función del caudal (en caso de bombas de velocidad controlada convertida vía la velocidad de corriente), con caudal nominal y mínimo, punto de operación actual y desviación de operación relativa/absoluta del punto de operación de la línea característica.
• Características de potencia: Display de la potencia (mecánica) requerida como una función del caudal, con punto de operación vivo y desviación relativa; adicionalmente display de la eficiencia de la bomba hidráulica esperada como una función del caudal con la eficiencia actual calculada.
• Características de NPSH: Display logarítmico del valor de NPSHr requerido para operación libre de cavitación como una función del caudal, con valor de NPSHa actual (calculado de la presión de entrada y presión de vapor del medio.
• Histogramas: Evaluación estadística de los estados de operación de la bomba con respecto al caudal (carga de la bomba) y reserva de operación.

Funciones de diagnóstico

Las funciones de diagnóstico para avisar a los operadores en caso de estados de operación desfavorables son las siguientes:

• Violaciones del límite de los valores de potencia.
• Caudales inferiores al caudal mínimo – limpieza extrema, peligro de sobrecalentamiento.
• Caudal más alto que el nominal – sobrecarga.
• Desviación del punto de operación respecto a las características de altura, es decir, pérdida de la altura por transporte de gas, cavitación o bloqueo.
• Desviación del punto de operación de las características de potencia.
• Desviación del punto de operación de las características de eficiencia.
• Valor actual de NPSH aproximándose a las características requeridas de NPSH – aviso temprano con respecto a la cavitación.

Especificación de parámetros

Los datos técnicos listados a continuación son requeridos para la configuración de la supervisión de la bomba y tienen que ser proporcionados de antemano.

Datos del motor eléctrico

• Velocidad nominal.
• Potencia nominal.
• Eficiencia nominal.
• Para motores no estándar polinomio para calcular la potencia del eje mecánica transmitida como una función de potencia eléctrica consumida.

Datos de la bomba

• Caudal mínimo.
• Caudal nominal.
• Características de transmisión = H/F – característico.
• Características de potencia = P/F – característico.
• Característica de eficiencia.

La eficiencia de la bomba se calcula como el ratio entre la potencia hidráulica y la potencia mecánica en el eje. A veces esta eficiencia no es idéntica a la eficiencia nominal en la especificación de la bomba: en la especificación de la bomba está frecuentemente sólo la eficiencia del rotor, mientras que otras pérdidas de potencia (ej. corrientes parásitas, pérdidas en rodamientos, pérdidas de fricción) son ignoradas. Por lo tanto se espera que la eficiencia calculada por la bomba se un poco menor a la eficiencia nominal del rotor en la especificación de la bomba.

Datos del medio bombeado

• Densidad.

Para la supervisión de la cavitación adicionalmente:

• Coeficientes de Antoine, si el medio es diferente al agua a 0 – 100 ºC, o
• Algoritmo para el cálculo de la presión de vapor como una función de la temperatura si la ecuación de Antoine no es aplicable.

Bibliografía

• Monitoring of Centrifugal Pumps using the PumpMon Function Block. SIMATIC PCS 7. April 2010