Válvula sobredimensionada

Transcripción

1 Válvula sobredimensionada En este caso de estudio se tratará un caso real de una atemperación de una caldera. Para situar el caso se presentan algunos antecedentes. Dos calderas auxiliares con 10 años de vida en un ciclo combinado. Por mercado el ciclo combinado deja de funcionar (año 2011) por lo que la atención del personal de planta se orienta a los equipos que siguen en marcha, entre ellos las calderas auxiliares. Se decide estudiar el funcionamiento de las atemperaciones. Se observa, problema conocido, que las válvulas están sobredimensionadas, trabajan normalmente muy cerradas. En estos casos los controles no pueden nunca funcionar correctamente. En este caso se comportaba como un control on/off. Veamos la configuración y un ejemplo de apertura habitual. En la primera figura los internos ya están cambiados. En la segunda figura son los internos antiguos. En cuadros rojos marcados la Ta a controlar, la válvula implicada y el atemperador. Internos nuevos Como se ve en la siguiente figura el control de Ta se aleja del setpoint (SP suele estar en 245C o 247C) y la apertura de la válvula está trabajando en la zona no habitual, por debajo del 15% (sobredimensionada). 1

2 Internos antiguos, válvula con apertura por debajo del 15%, sobredimensionada Recordar que las válvulas deben trabajar entre un 15% y un 85%, trabajar por debajo o por encima regularmente es indicativo de problemas. La zona de trabajo habitual debería ser entorno al 50-60%. Veamos la zona habitual de trabajo de estas dos válvulas, una por caldera: 2

3 Como se observa la válvula trabaja muy cerrada y oscila continuamente así como la PV, básicamente se ha transformado un control PI en un control on-off Las válvulas son válvulas Gülde, empresa adquirida por Emerson años atrás. Se contacta con Emerson para calcular los internos adecuados a la aplicación. Los fabricantes de válvulas utilizan software para dimensionar las válvulas, por ejemplo Masoneilan usa el programa ValSpeQ, Fisher (Emerson) usa FSM (Fisher Specification Manager), etc. Gülde tenía su propio software, es por ello que se tiene que recurrir a Emerson. En estos programas están introducidos los modelos de las válvulas con sus diferentes características. Se tienen que introducir datos de proceso, caudales, P s, T s, materiales, tamaños tuberías, etc, para poder dimensionar correctamente las válvulas. Veamos un par de conceptos importantes sobre válvulas: El famoso Cv o Kv (más usado el Cv). Cv, coeficiente de caudal, relacionado con la geometría de la válvula, para un recorrido de la válvula, que puede ser utilizado para determinar la capacidad de caudal. Es el número de galones US de agua a 60F que pasarán por la válvula con una caída de presión de 1 psi. A mayor Cv de una válvula, mayor caudal de paso para un porcentaje de apertura de válvula determinado, 0,865. 3

4 El siguiente concepto que nos afecta en estas válvulas es el concepto de característica isoporcentual de las válvulas. Es la característica que dará la válvula inherentemente. Relaciona el recorrido de la válvula con el caudal que la atraviesa. En el caso que nos ocupa la válvula será isoporcentual. Es importante ver que el incremento de caudal para diferenciales de apertura no será constante en el caso isoporcential, ver abajo. Recapitulando disponemos de una válvula de globo isoporcentual con un Cv demasiado grande para la aplicación. La válvula inicialmente instalada tiene un Cv de 4,7 y un diámetro de paso de 15mm. Esto para dos válvulas, una por caldera. En este caso entraban en juego también los datos del atemperador, adicionalmente a los datos de la válvula. Veamos datos proporcionados por Fisher del antes y después. Como se ve se ha usado el programa CON-TEK Sizing Suite (por personal de Emerson) : 4

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9 Como se ve el Cv máximo por cálculo es de 1. De los Cvs disponibles en catálogo se escoge el CV 1,54, margen suficiente para atemperar el caudal máximo de vapor, el paso pasa a ser de 6mm. 9

10 Una vez correctamente dimensionados los internos de la válvula queda la segunda parte del trabajo, ajustar correctamente el lazo de control. El lazo de control es un FB 41 estándar de un PLC Siemens S Como se ve en el diagrama adjunto de la ayuda del bloque de Siemens, se trata de un PID no interactivo con posibilidad de Feed-Forward (ver DISV en el diagrama): DISV REAL (%) o bien magnitud física 2) 0.0 DISTURBANCE VARIABLE / Magnitud perturbadora Para control anticipativo de la magnitud perturbadora, ésta se conecta en la entrada "Magnitud perturbadora". 10

11 El Feed-Forward no es más que un anticipo. Este proceso está muy afectado por perturbaciones externas. Las calderas auxiliares cumplen dos misiones, aportar el vapor para los sellos de turbina de vapor durante el proceso de arranque, y aportar el vapor a tres clientes. Estos clientes tienen consumos muy variables con picos de consumo con cierta frecuencia. Los picos pueden llegar a ser de 30Tn/h en un minuto. Por este motivo es vital tener un feed-forward que ayude a reaccionar muy rápidamente ante cambios bruscos en los consumos de vapor de clientes. Se observa como variable de feed-forward el caudal de aire a caldera. Se observa una variable muy oscilante. Se decide cambiar la variable de feed-forward por el caudal de gas, variable mucho más estable. El proceso seguido para caracterizar el feed-forward es hacer paradas a varias cargas y tomar datos, todos los datos en unidades porcentuales, las unidades que utiliza el PLC en el FB41 mencionado anteriormente. Se toman los datos en cada escalón de caudal de gas en 11

12 porcentaje de rango, porcentaje de apertura de válvula, caudal de aire en % de rango, caudal de vapor en tn/h: Como se observa se toman datos subiendo y bajando carga para comprobar repetitividad. La carga marcada en rojo se estima por no poder llegar a ese consumo por limitaciones de proceso. Ya solo queda coger las dos columnas marcadas en los rectángulos y ponerlas en el PLC. Habrá que cambiar la variable que entra en la caracterización del feed-forward, se cambió de caudal de aire a caudal de gas. 12

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14 El último paso que se realizó para el ajuste, penúltimo mejor dicho, fue hacer un step test a una carga habitual, no se hizo a varias cargas ya que se vio que con el ajuste dejado el comportamiento era aceptable a todas las cargas. Adicionalmente se vio que la PV tenía ruido por lo que se puso al transmisor un damping de 1s. 14

15 Veamos el resultado de todo el trabajo: La Ta a controlar es la azul, una división son 10C, el SP son 247C. Como se ve el control ha mejorado muy notablemente, la variabilidad, dependiendo de la carga es de media +/- 2C, comparado con los +/- 11C que había anteriormente. Conclusiones y pasos: - Válvula sobredimensionada - Cálculo con fabricante de la válvula con el Cv requerido y escoger Cv de catálogo - Instalación nuevos internos - Ajuste Feed-Forward, cambio de caudal de aire por caudal de gas - Step Test para obtener K y Ti. - Pruebas con K y Ti - Damping para ruido de PV Energy Controls Diciembre