Somos su Relevo a la Calidad. La Guía MetAs, es el boletín periódico de MetAs & Metrólogos
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- Roberto Acuña Campos
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1 Año 4 # noviembre Consistencia y Conformidad Metrológica para Estaciones Meteorológicas en Centrales Ciclo Combinado MetAs & Metrólogos Asociados La Guía MetAs En esta oportunidad les presentamos el trabajo presentado por MetAs & Metrólogos Asociados como ponencia oral ntro l Simposio Metrología 24 organizado por el Centro Nacional Metrología (CENAM), en la ciudad Santiago Querétaro, Qro. México, los días 25, 26 y 27 octubre l 24, evento en el cual amás, MetAs & Metrólogos Asociados participaron como patrocinadores. Los resultados presentados en este artículo se sarrollaron en conjunto con personal la Comisión Feral Electricidad (CFE) México, bajo el marco colaboración personal esta empresa. La producción energía eléctrica y su costo, en las centrales ciclo combinado, está relacionada por la eficiencia sus procesos con las condiciones ambientales bajo los cuales se llevan a cabo. Estos procesos requieren l monitoreo continuo las condiciones : temperatura ambiente, humedad ambiental y presión atmosférica. Para la medición estas magnitus se utilizan: termómetros, higrómetros y barómetros tipo transmisor que conforman la estación meteorológica. Dichos instrumentos requieren estar bajo estricto control metrológico bido al impacto que sus errores e incertidumbres medición tienen sobre el proceso facturación la energía producida. Se presentan las experiencias con productores externos energía eléctrica y los criterios para evaluar y terminar: a) La consistencia entre la capacidad medición los instrumentos involucrados y los requisitos: técnicos, normativos y legales l proceso, así como los criterios prácticos para: b) evaluar la conformidad los resultados calibración dichos instrumentos contra las tolerancias que para estos instrumentos se obtienen l proceso evaluación consistencia. Somos su Relevo a la Calidad La Guía MetAs, es el boletín periódico MetAs & Metrólogos Asociados. En La Guía MetAs se presentan noticias la metrología, artículos e información técnica seleccionada por los colaboradores MetAs & Metrólogos Asociados, que seamos compartir con nuestros colegas, usuarios, clientes, amigos y con todos aquellos relacionados con la metrología técnica e industrial. Calle: Jalisco # 313. Colonia: Centro 49, Cd. Guzmán, Zapotlán El Gran, Jalisco, México Teléfono & Fax: 1 (341) & con tres líneas metas@metas.com.mx. Web: Servicios Metrológicos: Laboratorios Calibración: Presión, Alto Vacío, Temperatura, Humedad, Eléctrica, Vibraciones Ingeniería: Selección s, Desarrollo Sistemas medición y software, Reparación-Mantenimiento Gestión Metrológica: Subcontratación Servicios, Selección Proveedores, Outsourcing Consultoría: Capacitación, Entrenamiento y Asesoría en Metrología y su Relación con Sistemas Calidad
2 24 - noviembre La Guía MetAs CONSISTENCIA Y CONFORMIDAD METROLÓGICA PARA ESTACIONES METEOROLÓGICAS EN CENTRALES DE CICLO COMBINADO Víctor Aranda (1), Gerardo Aranda (1), Noel Gutiérrez (1), Silvia Medrano (1) y Rogelio Zúñiga (2) (1) MetAs & Metrólogos Asociados Calle: Jalisco # 313, Colonia: Centro, 49, Cd. Guzmán, Jalisco, México. (341) & con tres líneas. metas@metas.com.mx (2) C.F.E. Comisión Feral Electricidad Calle: Río Mississippi # 71-51, Colonia: Cuauhtémoc, México, D.F. (55) Ext rogelio.zuniga@cfe.gob.mx Resumen: La producción energía eléctrica y su costo, en las centrales ciclo combinado, está relacionada por la eficiencia sus procesos con las condiciones ambientales bajo los cuales se llevan a cabo. Estos procesos requieren l monitoreo continuo las condiciones : temperatura ambiente, humedad ambiental y presión atmosférica. Para la medición estas magnitus se utilizan: termómetros, higrómetros y barómetros tipo transmisor que conforman la estación meteorológica. Dichos instrumentos requieren estar bajo estricto control metrológico bido al impacto que sus errores e incertidumbres medición tienen sobre el proceso facturación la energía producida. Se presentan las experiencias con productores externos energía eléctrica y los criterios para evaluar y terminar: a) La consistencia entre la capacidad medición los instrumentos involucrados y los requisitos: técnicos, normativos y legales l proceso, así como los criterios prácticos para: b) evaluar la conformidad los resultados calibración dichos instrumentos contra las tolerancias que para estos instrumentos se obtienen l proceso evaluación consistencia. 1. CENTRAL ELÉCTRICA DE CICLO COMBINADO (CCC) Tuxpan III y IV; TransAlta (canadiense) en Campeche II y Chihuahua III; Intergen (norteamericana) en Mexicali y Bajío [1] Normativas operación Fig. 1 Vista central eléctrica ciclo combinado CCC Productores inpendientes energía Actualmente en México, han entrado en operación 15 centrales eléctricas ciclo combinado operadas por las compañías: Iberdrola (española) en Monterrey III y Altamira III y IV; Electricité France (francesa) en Saltillo y Río Bravo II y III; AES (norteamericana) en Mérida III; Mitsubishi (japonesa) en Tuxpan II y Altamira II; Unión FENOSA (española) en Hermosillo, Agua Prieta y C.F.E. (Comisión Feral Electricidad) requiere que los productores inpendientes realicen las pruebas sempeño para verificar la Neta Demostrada, la cual es un requisito contractual. Las pruebas sempeño para este objetivo se efectúan spués haber realizado todas las pruebas puesta en servicio y antes la operación comercial la central eléctrica ciclo combinado (CCC) [1], las pruebas sempeño se realizan acuerdo con los requisitos l código ASME para pruebas energía PTC 46 [2]. Este documento también scribe el uso acuado las correcciones para terminar los parámetros sempeño toda la central, correcciones que se basan en las mediciones parámetros que están fuera l control l productor energía como son: temperatura l aire ambiental, presión atmosférica, humedad, temperatura l agua enfriamiento, valor calorífico l combustible, factor potencia, frecuencia. Este documento también nos dice que dichas mediciones ben llevarse a cabo utilizando otros códigos ASME como: PTC 4.1 [2] para la Simposio Metrología 24 2
3 24 - noviembre La Guía MetAs eficiencia la calra y PTC 6 [2] para la turbina vapor Organismos reguladores Los productores inpendientes forman la AMEE - Asociación Mexicana Energía Eléctrica. Para autorizar la operación en México estas centrales generadoras energía eléctrica, se encuentran bajo la regulación y evaluación organismos como: CFE - Comisión Feral Electricidad, CRE - Comisión Reguladora Energía, y la SENER - Secretaría Energía [1] Costo producción De acuerdo con una nota periodística El Financiero [3], los costos asociados a la producción energía eléctrica, son diferentes para cada central. Las diferencias que existen en los costos las centrales los permisionarios se ben a dos factores principales: los costos asociados a la ubicación y topografía l suelo, así como al costo y origen l combustible para la generación energía. Consirando que las diferencias por la ubicación y topografía se puen evaluar mediante la corrección por las condiciones ambientales medidas con una estación meteorológica y que el combustible base utilizado es gas natural suministrado en la mayoría los casos por PEMEX Gas y Petroquímica Básica (PGPB), en otros casos el productor importa su gas directamente. La cantidad energía eléctrica producida por las CCC es corregida para fines facturación a la CFE, por factores que penn las condiciones ambientales durante la operación los productores inpendientes. Siendo responsabilidad las CCC mantener la medición las condiciones ambientales bajo confirmación metrológica, cuyos resultados son auditados continuamente por la CFE, dada la importancia e impacto económico estos factores. 2. ESTACIÓN METEOROLÓGICA La estación meteorológica es un sistema medición las diferentes magnitus con que se evalúan las condiciones ambientales, estas magnitus y sus instrumentos medición son: Temperatura ambiente mediante el uso termómetros, humedad ambiental con higrómetros, presión atmosférica utilizando barómetros, velocidad l viento mediante anemómetros, dirección l viento con anemoscopios, precipitación pluvial utilizando pluviómetros. Al revisar las ecuaciones corrección que plantea ASME PTC 46 [2] para evaluar el sempeño total la planta, se observa que las condiciones ambientales que intervienen son: temperatura y humedad ambiental y la presión atmosférica. En los siguientes puntos se scriben las características y especificaciones metrológicas típicas los instrumentos medición relacionados con estas magnitus Barómetro Los barómetros son instrumentos que min la presión atmosférica (presión absoluta). Cuando el instrumento es protegido disturbios temporales como ráfagas viento y obstrucciones o alteraciones en su puerto medición se dice que mi la presión atmosférica l ambiente. En México la presión atmosférica se encuentra entre los 75 hpa (hectopascales) para localidas con altitud cercana a los 2 7 m como Toluca en el estado México y 1 13 hpa para localidas situadas al nivel l mar, por lo tanto un alcance medición que cubre ampliamente la situación geográfica México será 7 a 1 1 hpa. En el laboratorio metrología presión, hemos tenido oportunidad calibrar barómetros utilizados en las estaciones meteorológicas varias CCC, cuyas marcas y características metrológicas son: Druck, Lsi Lastem, Ota Keiki Seisakusho, Rosemount, Setra, Vaisala, Young; la clase exactitud clarada por estos fabricantes va ±,3 a ±1,6 hpa, y en los procesos calibración hemos encontrado que su capacidad medición es ±,2 a ±1, hpa Termómetro Los termómetros son instrumentos que min la temperatura l ambiente en que están inmersos, cuando el termómetro se coloca en el ambiente y es ventilado forma acuada y protegido la radiación solar directa, se dice que mi la temperatura ambiente. De acuerdo con las especificaciones diseño para las CCC los diferentes productores externos en México, las temperaturas mínima y máxima están entre: -13 C (grados Celsius) en Chihuahua y +5 ºC en Mexicali [1], por lo que un termómetro con un alcance -2 a +6 ºC cubre ampliamente el alcance temperatura ambiente esperada en México. Simposio Metrología 24 3
4 24 - noviembre La Guía MetAs En el laboratorio metrología temperatura, hemos tenido oportunidad calibrar termómetros resistencia platino y termistor, utilizados en las estaciones meteorológicas varias CCC, cuyas marcas y características metrológicas son: Climatronics, Lsi Lastem, Ota Keiki Seisakusho, Rosemount, Wika, Young, Ysi; la clase exactitud clarada por estos fabricantes va ±,2 a ±,3 C, y en los procesos calibración hemos encontrado que su capacidad medición va ±,1 a ±,3 C Higrómetro Los higrómetros son instrumentos que min la humedad relativa contenida en la atmósfera en que están inmersos, cuando el higrómetro se coloca en el aire ambiente y es ventilado forma acuada y protegido la radiación solar directa, se dice que mi la humedad ambiental. En México es posible encontrar condiciones humedad extrema, como ambientes sérticos extremadamente secos hasta 1 %HR (porcentaje humedad relativa) y ambientes costeros extremadamente húmedos hasta 93 %HR [1]. Estas situaciones tan extremas requieren higrómetros amplio alcance, nominalmente l 1 al 1 %HR. En el laboratorio metrología humedad, hemos tenido oportunidad calibrar higrómetros utilizados en las estaciones meteorológicas varias CCC, cuyas marcas y características metrológicas son: Lsi Lastem, Ota Keiki Seisakusho, Rosemount, Rotronic, Vaisala; la clase exactitud clarada por estos fabricantes va ±1,5 a ±2 %HR (1 a 9 %HR) y ±3 %HR (2 a 1 y 9 a 1 %HR), y en los procesos calibración hemos encontrado que su capacidad medición es ±3 %HR (25 a 75 %HR) y ±4 %HR (<25 y >75 %HR). 3. CONFIRMACIÓN METROLÓGICA La confirmación metrológica acuerdo con ISO 112 [4] [5] es el conjunto operaciones requeridas para asegurar que el equipo medición cumple con los requerimientos para su uso propuesto, amás nos menciona que la confirmación metrológica generalmente incluye operaciones como son: calibración, verificación (inspección más evaluación conformidad [6]), ajuste, reparación, revisión intervalo recalibración, comparación resultados contra requisitos metrológicos (evaluación consistencia [7]), sellado y etiquetado. ISO 112 [4] también nos dice que los requisitos metrológicos l equipo medición son usualmente distintos al requisito l producto y no están especificados en los mismos Consistencia El proceso terminar las características metrológicas necesarias l equipo medición en base a los requisitos metrológicos l usuario y su proceso es llamado Consistencia [7]. El proceso evaluación consistencia metrológica surge los requisitos los sistemas gestión calidad como ISO 91:2 [8] e ISO/TS 16949:22 [9], los cuales nos dicen que la organización (usuario) be establecer procesos para asegurar que la capacidad medición l equipo monitoreo y medición es consistente con los requisitos monitoreo y medición l proceso, así como evinciar su conformidad con estos requisitos Requisitos metrológicos l usuario La calidad un producto o servicio [1] esta finida por los rasgos y características (especificaciones) que es necesario garantizar ntro ciertos límites para satisfacer las necesidas que han sido establecidas con el cliente o que son implícitas al producto o servicio. Los límites especificación l producto o servicio penn al menos los siguientes parámetros: la variabilidad l proceso y la capacidad medición los instrumentos utilizados para el monitoreo o medición esa variable l proceso. Especificación Garantizada Variabilidad l Proceso Ambiente Seguridad y Deriva Cliente Límites Control (Verificados en Producción) Fig.2 Consistencia entre variabilidad l proceso y capacidad medición. Simposio Metrología 24 4
5 24 - noviembre La Guía MetAs Características metrológicas l equipo medición Las características metrológicas l equipo medición, se refieren a la capacidad medición l instrumento. El concepto ha sido acuñado por diferentes sistemas calidad como: ISO 91 [8], ISO/TS [9], ISO 112 [4] y el manual referencia MSA [13], sin embargo no es un concepto finido por el Vocabulario Internacional Metrología (VIM), el concepto que más se relaciona con este es la Clase Exactitud. La capacidad medición l instrumento pen al menos dos factores: a) los errores e incertidumbre medición l instrumento y b) el proceso medición. Para explicar estos conceptos sarrollaremos un ejemplo, consiremos que contamos con un termómetro tipo transmisor que utilizamos para la medición temperatura ambiente en el punto control 3 ºC, el termómetro ha sido calibrado, y en su Informe Calibración nos indican que el error (E) y la incertidumbre expandida (U) en el punto control son: E = 1,3 ºC y U = ±,3 C. La Medición (CM) l termómetro pen l Proceso [1] [4] que se utilizará en el uso l instrumento por parte l usuario. Sí el usuario no aplica correcciones al termómetro, tendremos que CM = ±( E + U) es cir CM = ±1,6 C; pero, sí el proceso medición l usuario consira la corrección los errores tendremos que E (tien a cero) por lo que CM será: CM = ±U, es cir CM = ±,3 C Conformidad El proceso confirmación metrológica [5] se evalúa como acuado cuando el equipo monitoreo y medición cumple con los requisitos l proceso, esta evaluación conformidad es lo que llamamos la claración conformidad o noconformidad [6] [11] [12]. Para evaluar la conformidad los resultados la medición o calibración es necesario consirar tanto los errores como la incertidumbre medición, dado que la incertidumbre afecta la conformidad con: las tolerancias, los límites especificación o la capacidad medición requerida por el proceso o normativas técnicas o legales. Variable Proceso [1] Presión atmosférica 75 a 1 13 hpa Temperatura ambiente -13 a 5 C Humedad ambiental 1 a 93 %HR Variabilidad l Proceso [1] Resolución Requerida (1/1 a 1/1) Requerida (1/3 a 1/1) ±1 hpa 1 a,1 hpa ±3 a ±1 hpa ±1 ºC 1 a,1 ºC ±3 a ±1 ºC ±2 %HR 2 a,2 %HR ±7 a ±2 %HR Barómetro 7 a 1 1 hpa Termómetro -2 a 6 C Higrómetro 1 a 1 %HR CM ±1 hpa ±,3 ºC ±3 %HR Índice Consistencia,3 a 1 Consistente,1 a,3 Fino,2 a 1,5 Fino a Consistente Declaración Conformidad Ambiguo Tabla 1 Consistencia y conformidad para estación meteorológica en base a la variabilidad l proceso. Variable Proceso [1] Presión atmosférica 75 a 1 13 hpa Temperatura ambiente -13 a 5 C Humedad ambiental 1 a 93 %HR Requerida ASME PTC 46 [2] ±3 hpa ±,3 ºC ±2 %HR Barómetro 7 a 1 1 hpa Termómetro -2 a 6 C Higrómetro 1 a 1 %HR CM ±1 hpa ±,3 ºC ±3 %HR Índice Consistencia,3 Fino 1 Consistente 1,5 Consistente a Burdo Declaración Conformidad Ambiguo Tabla 2 Consistencia y conformidad para estación meteorológica en base a los requisitos ASME PTC 46 [2]. Simposio Metrología 24 5
6 24 - noviembre La Guía MetAs 4. RESULTADOS En las tablas 1 y 2 se muestra el resumen la evaluación consistencia entre la capacidad medición requerida por el proceso y la capacidad medición los instrumentos con los que se realiza el monitoreo y medición. La tabla 1 muestra la evaluación acuerdo al estudio variabilidad l proceso en condiciones operación, y la tabla 2 muestra la evaluación acuerdo a los requisitos normativos ASME PTC 46 [2]. 5. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES 5.1. Medición presión atmosférica Como resultado la evaluación consistencia y conformidad metrológica, se encuentra que la capacidad medición l sistema medición presión atmosférica es consistente con la capacidad medición requerida por el proceso ya sea forma implícita en base a la variabilidad l proceso, o en forma establecida en base a los requisitos ASME PTC 46 [2] Medición temperatura ambiente Los resultados en la evaluación la medición temperatura ambiente con sensor resistencia platino, arrogan en forma similar a la presión atmosférica, consistencia y conformidad metrológica. Sin embargo, es conocido en los termómetros, que es preferible el uso sensores resistencia platino sobre los tipo termistor o termopar, en los casos don se utilizan sensores tipo termistor se encontraron casos aislados inconsistencia y no-conformidad metrológica Medición humedad ambiental El caso la medición humedad ambiental nos da un resultado ambiguo en la evaluación consistencia, lo cual obliga acuerdo con ISO [11] [12], a establecer criterios aceptación y rechazo entre los involucrados (CCC y CFE), para lo cual las partes han consirado inicialmente no incluir la incertidumbre típica las mediciones humedad (>±1,5 %HR), lo cual es contrario a lo indicado ISO [11] [12]. El origen l problema radica en que el sarrollo las mediciones humedad relativa ha alcanzado incertidumbres apenas ±,6 %HR a ±2, %HR en laboratorios calibración nacionales y secundarios, lo cual es gran con respecto a la capacidad medición requerida por ASME PTC 46 [2] en la tabla 2 ±2, %HR, lo cual arroja que el requisito la norma es muy estricto y por otro lado el hecho que las especificaciones claradas por los fabricantes [14] [15] respecto a la clase exactitud hasta 1, %HR los higrómetros es muy optimista. Adicionalmente, la capacidad medición humedad se ve afectada por las condiciones montaje y operación, lo cual en muchos casos llega a ser más significativo que los resultados la calibración l instrumento, como se presenta a continuación. Como se scribió anteriormente la capacidad medición l instrumento pen los resultados la calibración l instrumento y l proceso medición. Respecto al proceso medición es necesario stacar la importancia utilizar escudos protección contra la radiación solar directa y sistemas ventilación para el montaje los termómetros e higrómetros, un escudo con aspiración natural mantiene gradientes temperatura 1,5 C entre la temperatura medida y la temperatura ambiente cuando la velocidad l aire es baja (1 m/s) y gradientes menores,4 C cuando la velocidad l aire es mayor a 3 m/s [16], mientras que un escudo con aspiración forzada con ventilador a 3 m/s reduce el gradiente hasta en,1 C [16]. La calibración higrómetros en campo cuando no se cuenta con condiciones ambientales controladas (2 C), arroja resultados con mayor error y u o incertidumbre, bido a la inestabilidad la temperatura ambiente en el lugar calibración. Por ejemplo: a 2 C y 5 %HR, un gradiente ±1 ºC provoca un gradiente hasta ±3 %HR [14] [15], y cuando la humedad es 9 %HR, un gradiente ±1 ºC provoca un gradiente hasta ±5,4 %HR [15], por lo cual es recomendable que este servicio se realice en condiciones laboratorio con el propósito asegurar las condiciones reproducibilidad. Algunos higrómetros presentan saturación por efectos connsación en humedad mayores al 95 %HR, se recomienda revisar las especificaciones l instrumento acuerdo a la zona geográfica don se encuentre la CCC. Es necesario tomar en cuenta que en las zonas costeras, la riva los higrómetros es mayor que la los ubicados en zonas templadas o semisérticas, por lo cual no es posible consirar el mismo intervalo recalibración. Simposio Metrología 24 6
7 24 - noviembre La Guía MetAs Con el propósito obtener la mejor capacidad medición en los higrómetros, es preferible el uso sensores tipo capacitivo compensados por temperatura sobre los tipo resistivo Proceso para la confirmación metrológica Es recomendable el uso instrumentos en los que este integrado en un solo equipo tanto el sensor como el transmisor, con lo cual es posible realizar la calibración l instrumento en señal salida analógica (por ejemplo 4 a 2 ma c.c.), con lo cual se facilita al usuario la logística para la calibración l equipo así como permite al usuario realizar la verificación y ajuste l lazo medición por simulación eléctrica. Es recomendable que el usuario cuente con un juego instrumentos repuesto los cuales podrán ser enviados a calibración sin shabilitar el sistema medición en el proceso, dado lo crítico este sistema. La confirmación metrológica l sistema medición no se completa hasta que no se han realizado los siguientes procesos: 1) calibración y u o ajuste l instrumento (transmisor), 2) verificación y ajuste l lazo medición, 3) verificar si la capacidad medición todo el lazo o cana medición esta conforme con los requisitos metrológicos l usuario, para por realizar la claración conformidad o no-conformidad l proceso confirmación metrológica y 4) someter el sistema medición al análisis los intervalos re-calibración. AGRADECIMIENTOS Agracemos al Ing. José Luis Bañales la CFE, por la revisión l artículo y la información facilitada para la elaboración l mismo. REFERENCIAS [1] R. Zúñiga y J. Bañales, Comunicación personal, CFE - Comisión Feral Electricidad, 24. [2] ASME PTC 46, Overall plant performance, ASME - American Society for Mechanical Engineering, [3] G. Palma, Productores inpendientes energía imponen precios a CFE, El Financiero, lunes 8 marzo 24, página 17. [4] ISO 112:23, Measurement management systems Requirements for measurement processes and measuring equipment, International Standard, ISO - International Organization for Standardization, 23. [5] MetAs, Confirmación metrológica, La Guía MetAs, Año 2 # 2, 22-febrero. [6] MetAs, Criterios para claración conformidad, La Guía MetAs, Año 3 # 6, 23-junio. [7] MetAs, consistencia metrológica, La Guía MetAs, Año 2 # 1, 22-octubre. [8] ISO 91:2, Quality management systems - Requirements, International Standard, ISO - International Organization for Standardization, 2. [9] ISO/TS 16949:22, Quality management systems Particular requirements for the application of ISO 91:2 for automotive production and relevant service part organizations, Technical Specification, ISO - International Organization for Standardization, IATF - International Automotive Task Force, 22. [1] ISO 9, Norma Internacional: Sistemas gestión calidad Fundamentos y vocabulario, ISO - International Organization for Standardization, AENOR, Asociación Española Normalización, 2. [11] ISO :1998, Geometrical products specification (GPS) Inspection by measurements of work pieces and measuring equipment, Part 1: Decision rules for proving conformance or non conformance with specifications, International Standard, ISO - International Organization for Standardization, [12] ASME B , Guiline for cision rules: Consiring measurement uncertainty in termining confirm to specifications, ASME - American Society for Mechanical Engineering, 22. [13] ASQ & AIAG, MSA Measurement systems analysis, Reference manual, third edition, American Society for Quality, Automotive Industry Action Group, 22. [14] ROTRONIC, Hygromer Transmitter - Instruction manual. [15] VAISALA, HMP 23 series - User s Gui, M21225en-B. [16] Climatronics, Naturally and motor aspirated radiation shield, Simposio Metrología 24 7
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