APLICACIONES DE SISTEMAS DE CONTROL ESQUEMAS USUALES DE SISTEMAS AUTOMÁTICOS PRIMERA PARTE: CONTROL DE LA COMBUSTIÓN

Transcripción

1 CÁTEDRA: SISTEMAS DE CONTROL DOCENTE: Prof. Ing. Mec. Marcos A. Golato APLICACIONES DE SISTEMAS DE CONTROL ESQUEMAS USUALES DE SISTEMAS AUTOMÁTICOS PRIMERA PARTE: CONTROL DE LA COMBUSTIÓN 1

2 Introducción Fenómeno de la combustión Se entiende por combustión a toda reacción química que va acompañada de gran desprendimiento de calor. Una combustión es la reacción del oxígeno con diversas sustancias, en general el carbono y el hidrógeno. Composición de los gases de combustión 2

3 Combustión FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA 3

4 Combustión FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA 4

5 Combustión FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA 5

6 Combustión FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA 6

7 Rendimiento i 7

8 Variación de la eficiencia de una caldera de vapor en función del contenido de humedad del combustible y la temperauta de los gases de escape por chimenea. 8

9 9

10 10

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12 Determinación del factor de dilución óptimo λ mín λ máx 12

13 HORNOS CONTROL DE TEMPERATURA 13

14 HORNOS - DEFINICIÓN: Son equipos que forman parte de un proceso, donde se producen una reacción de combustión para generar calor y transferirlo al medio para aprovechar su energía. Son equipos de proceso lentos. Tienen pocas variables a controlar y manipular. Típicamente, el objetivo de control es la temperatura del producto (Tf). En estos casos la entrada de energía es lo único manipulable. Esquema básico de un horno 14

15 OBSERVACIONES: O S El factor fundamental es el sistema de medición, ya que los retardos por este motivo son muy significativos. P/Medición de temperatura: c/vaina: tiempo de respuesta a un escalón de temperatura de 20 a 40 [seg]. c/bulbo desnudo: tiene una respuesta de 2 a 4 [seg]. Para este tipo de proceso es muy útil disponer de acción derivativa. AjustestípicossonBP=30a60%,I=1a0,07 [1/min]yTD=1a3[min]. 15

16 Ejemplo: Control de temperatura en horno. Combustión en lazo abierto. Diagrama P&I Manejo de la combustión sin medir caudales ni sus resultados. El relé auxiliar TY mantiene la relación aire combustible. Accinamiento paralelo sobre válvulas de aire y combustible. Aplicable a hornos chicos con pertubaciones del combustible poco probable. Diagrama de bloques 16

17 Ejemplo: Control de temperatura en horno. Sistema en cascada paralelo con medición. Diagrama P&I Manejo de la combustión sin medir sus resultados. El relé auxiliar TY mantiene la relación aire combustible. Di d bl Accinamiento paralelo sobre válvulas de aire y combustible con mediciones de sus caudales. Compensa perturbaciones del lazo interno de ambos flujos. Diagrama de bloques 17

18 Ejemplo: Control de temperatura en horno. Sistema con verificación de la combustión. Diagrama P&I Manejo de la combustión con medición de sus resultados. Estructura no conveniente Di d bl para sistemas con manejo del combustible con variaciones frecuentes. Tiempo de tránsito en el horno, menor que el tiempo de muestreo y análisis. Genera altos periodos transitorios i para el control de aire. Diagrama de bloques 18

19 Ejemplo: Control de temperatura en horno. Sistema con verificación de la combustión y acción correctora y limitadora. Diagrama P&I Manejo de la combustión con medición de sus resultados. Controla en lazo cerrado la calidad de la combustión. El AC cumple una función correctora. Los relés de alta y de baja (AY), limitan la acción de control del AC. Diagrama de bloques 19

20 Ejemplo: Control de temperatura en horno. Sistema Sse con verificación có de la combustión en avanacción y realimentación negativa. Diagrama P&I R2 L1 R1 Manejo de la combustión con medición de sus Diagrama de bloques resultados y del flujo de L1 combustible y aire. El control en avanacción entra como SP en el lazo interno del TC. El AC cumple una función correctora, mientras el TY mantiene la relación aire combustible. SP R1 SP R2 20

21 CALDERAS DE VAPOR CONTROL DE LA PRESIÓN DE VAPOR 21

22 CALDERA DE VAPOR - DEFINICIÓN: Es un recipiente cerrado a presión en el que se calienta un fluido para uso externo del mismo, por aplicación directa del calor resultante de la combustión de uno o varios combustibles. CLASIFICACIÓN BÁSICA DE LAS CALDERAS El pasaje de los fluídos Humotubulares Acuotubulares Las calderas se clasifican según: El movimiento del agua La presión de operación El combustible utilizado Circulación Natural Circulación ió Forzada Subcríticas Supercríticas Combustible Sólido Combustible Líquido Combustible Gaseoso 22

23 Calderas de vapor según la actividad industrial: Industria Azucarera Industria Citrícola Industria Papelera Industria Alimenticia Industria Energética Acuotubulares/Circulación Natural/ Subcríticas/ Combustible Sólido, Líquido y Gaseoso. Humotubulares/Circulación Natural/ Subcríticas/ Combustible Gaseoso. Acuotubulares/Humotubulares/Circulación Natural/ Subcríticas/Combustible Gaseoso. Humotubulares (Acuotubulares)/Circulación Natural/ Subcríticas/Combustible Gaseoso. Acuotubulares/Circulación Forzada/ Supercríticas/ Combustible Gaseoso. 23

24 Ejemplos de calderas Caldera acuotubular, subcrítica para combustible sólido: Caldera humotubular, subcrítica para combustible gaseoso: Caldera acuotubular, subcrítica para combustible gaseoso: 24

25 Esquema general e de una caldera gasera gse 25

26 Esquema general e de una caldera bagacera bgce 26

27 Calderas de vapor Las especificaciones básicas de una caldera de vapor son: Producción de vapor. Presión del vapor. Temperatura del vapor. En las calderas la variable clave de control es la presión de vapor Los sistemas de control db deben ser aptos para operarlas adecuadamente d entre un 15 y 100% de la capacidad nominal de generación, manteniendo las variables dentro de las especificaciones. 27

28 Sistemas de control aplicados a calderas de vapor Control de balance de energía. Control de hogar o de combustión. Control de nivel de domo. Control del agua de alimentación. Control de presión en el hogar. Control de temperatura del aire primario. Control de temperatura del vapor sobrecalentado. 28

29 Control lde balance de energía Existe una relación entre la presión de vapor y el estado de carga de la caldera. Se debe balancear la energía que demanda el proceso con la energía proveniente de la combustión. DEMANDA ENERGÉTICA SUMINISTRO ENERGÉTICO La presión de vapor es un exelente índice del balance energético!! Entonces podría aplicarse un sistema de control de un solo elemento, como ser un controlador de presión, para atender este posible desbalance. 29

30 Esquema general dl del sistema it de control lde balance de energía Et Estesistema it decontrol es satisfactorio: t i a) Para variaciones de carga infrecuentes olentas, por ejemplo: de1a2% por minuto. b) Para variaciones de carga infrecuentes y/o para desviaciones del Setpoint de presión en + (5 a 10) % durante las variaciones de carga. c) Para instalaciones donde no puede justificarse económicamente otra solución. 30

31 Esquema general del control de balance con compensador dinámico de presión La señal más representativa de la demanda energética, es la de caudal de vapor. Aplicándose de la siguiente manera: Este sistema compensa el problema dinámico asociado al uso del caudal como índice de la demanda energética (efecto de realimentación positiva), que causa inestabilidad del sistema de control. Ejemplo: sistema de control de combustión con dos combustibles, uno en automático y otro en manual. 31

32 Sistema de control de hogar y balance de energía (Cascada Presión-Caudal). Diagrama P&I Accionamiento Registro VTF 32

33 Sistema de control de hogar y balance de energía (Cascada Presión-Caudal). Diagrama de bloques 33

34 Sistema de control de hogar y balance de energía con exceso de aire en los transitorios (Cascada Presión-Caudal): Diagrama P&I Accionamiento Registro VTF 34

35 Sistema de control de hogar y balance de energía con exceso de aire en los transitorios (Cascada Presión-Caudal): Diagrama de bloques 35