ESQUEMAS USUALES DE SISTEMAS

Transcripción

1 CÁTEDRA: SISTEMAS DE CONTROL DOCENTE: Prof. Ing. Mec. Marcos A. Golato APLICACIONES DE SISTEMAS DE CONTROL ESQUEMAS USUALES DE SISTEMAS AUTOMÁTICOS (SEGUNDA PARTE) 1

2 Control de caudal El control de flujo de un proceso o regulación de la capacidad volumétrica de impulsión de bombas dinámicas o de desplazamiento positivo, dependen del tipo de impulsores, como así también de sus accionamientos. Bombas centrífugas accionadas por Bombas volumétricas a pistón accionadas por Motor eléctrico Turbina de vapor Motor de combustión interna Motor eléctrico Motor de combustión interna Bombas volumétricas a engranajes Motor eléctrico 2

3 Curva característica de una bomba centrífuga Para modificar el caudal de la bomba se incorpora una válvula de control que aporta una pérdida de carga concentrada y variable. Pto A: Equilibrio único si la única resistencia fuese la pérdida de carga de la instalación. Pto B: Laválvulatomapartedela pérdida de carga total (se adopta un 30% de H A o 50% de H N ). Pto C: La válvula toma gran parte de la pérdida de carga total (se adopta de 7 a 10% de Q A ). 3

4 Curva característica de dos bombas centrífugas iguales en paralelo

5 Curva característica de dos bombas centrífugas diferentes en paralelo

6 Curva característica de dos bombas centrífugas en serie

7 Esquema básico de control de caudal Caso común de control de la capacidad impulsora de una bomba centrífuga accionada por motor eléctrico, mediante lazo de control de caudal con válvula estrangulando la salida. 7

8 Control de bombas en paralelo Control de bombas centrífugas accionadas por motor eléctrico, según la contrapresión con bajo o alto consumo inicial. PSL: Presostato de baja presión. PSH: Presostato de alta presión. PZY: Interruptor eléctrico (contactor). Control de baja presión en el colector de agua de alimentación. - P/ estado estable: bomba 1 encendida. - P/ aumento de la demanda de vapor: Presión colec. agua disminuye, arranca bomba 2. Control para consumo inicial alto. - P/ estado estable: bomba 1 + bomba 2 en marcha. - P/ régimen normal (demanda de vapor nominal o baja): El PSH se encarga de sacar de servicio la bomba 2. 8

9 Control de bombas en serie Control de bombas centrífugas accionadas por motor eléctrico, conectadas en serie con desvío automático de la segunda cuando esta parada. El sensor de alta presión (PSH) arranca la bomba y cierra la válvula cuando aumenta la contrapresión del sistema. Control para presión inicial baja. - P/ estado estable: bomba 1 en marcha. - P/ aumento de la contrapresión se activa el PSH se encarga de poner en marcha la bomba 2 cerrando la VC que es normal abierta. 9

10 Control de bombas centrífuga con accionamiento a turbina Este tipo de accionamiento presenta la ventaja de que no posee pérdida de carga por estrangulación del flujo de salida de la bomba. Posee un costo inicial elevado. Se utiliza para grandes potencias (100 a 400HP). 10

11 11

12 Observaciones Estos sistemas de control deben ser aptos para trabajar entre el 15% y el 100% de su capacidad en automático. La capacidad de una caldera de vapor, es sinónimo de producción de vapor y su equivalente en caudal de agua de alimentación. La caldera es un equipo que aumenta la pérdida de carga con la producción, por lo que la presión del agua de alimentación a la entrada del domo debe ser por lo menos un 20% mayor a la presión de vapor máxima de la caldera. Muchas veces, cuando existen grandes variaciones en el consumo de vapor, el servicio de agua de alimentación debe ser provisto por dos o tres bombas, independientes de las consideradas de reservas o auxiliares. 12

13 Control de nivel de domo Este control permite mantener el nivel de agua en el domo dentro de estrechos límites, pues variaciones del mismo tanto en defecto como en exceso son perjudiciales. Este control se encuentra asociado al control del caudal del agua de alimentación a la caldera. Nivel de domo Bajo Alto Ocasiona baja refrigeración en los tubos Ocasiona arrastre de agua a la línea de vapor 13

14 Balance másico en el domo W a (agua alimentación) DOMO W s (demanda vapor) W p (Purga) Un nivel de agua permanece constante cuando: W a = W s + W p Si consideramos que: γa = peso específico del agua en el domo en [kg/m 3 ]. Entonces: S = superficie del espejo en [m 2 ]. S. γ a. dh = [W a (W s + W p )]. dt dh [W a (W s + W p p)] = dt S. γa Representa la variación del nivel. 14

15 Balance másico en el domo h t t [Wa (Ws + Wp)] Suponiendo que h N = nivel normal p/ t = 0: dh = dt S. γ a Entonces: h (t) -h N = [W a (W s + W p )] (t) N t S. γ a 0 Ahora si t = T t yh (t) = h mín p/ W a = 0:. T = h N 0 [W a (W s + W p )] S. γ a. t h -h = (W s + W p ) (t) N. Tt t h N -h mín = S. γ a (W s + W p ). Tt S. γ a t 15

16 Constante de transición de la caldera Si llamamos H = (h N -h mín ) T t = H. S. γ a (W s + W p ) (Tiempo de transición o cte de transición de la caldera). Es el tiempo que transcurre desde el momento en que se suspendió la alimentación de agua (W a =0)hasta el momento en que el nivel alcanzó su valor mínimo (h mín. ),estando originalmente i el nivel en su valor normal (h N ). La constante T t, condiciona el tiempo de reacción de los controladores P/ Calderas pequeñas T t = 10 a 50 [seg] P/ Grandes calderas modernas T t = 20 a 140 [seg] 16

17 Observaciones FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA Variaciones del nivel en función del consumo: dh dt = [W a (W s + W p )] S. γa Respuesta inversa: Ante una variación brusca de la demanda, en un intervalo t el signo de la variación de W s es el mismo que el de h (t). Analizando la ecuación se observa que las variaciones i de nivel son de signo contrario a las de consumo. W s h (t) t Al aumentar bruscamente el consumo de vapor, baja la presión y en consecuencia se produce una súbita ebullición en el seno del líquido que da externamente una imagen falsa del nivel.. t t 17

18 MEDICIÓN DE NIVEL DE AGUA EN DOMOS DE CALDERAS Configuración del transmisor de presión diferencial electrónico con señal de salida analógica variable de 4mA (0%) a 20mA (100%): Presión máxima = -500 [mmca ] p/ nivel mínimo (0%) la PD = -500[mmCa] p/ nivel máximo (100%) la PD = 0[mmCa] p/ PD = -250 [mmca] la señal del transmisor es 50% (12mA). 18

19 Sistema de control de nivel de un elemento. En este sistema de control, el nivel es la única señal que se usa para regular el agua de alimentación al domo de la caldera. Diagrama P&I Diagrama de bloques Se adopta en calderas pequeñas pq y lentas (p/ tiempo de residencia > 8 a 10 [mín]). También en calderas con suaves variaciones de la presión del agua de alimentación y del consumo de vapor. Utilizadas en calderas humotubulares y en calderas antiguas de grandes domos > 1,5m de diámetro. 19

20 Sistema de control de nivel de dos elementos. En este sistema de control, las señales para regular el agua de alimentación, provienen del nivel de domo y del consumo de vapor. Diagrama P&I Compensa variaciones rápidas de consumo de vapor, midiendo d esta perturbación. Se adopta para calderas medianas con presión constante del agua de alimentación y variaciones no bruscas del consumo de vapor. Diagrama de bloques La avanacción de la señal de caudal, modifica en el sentido adecuado la apertura de la válvula del agua de alimentación. 20

21 Sistema de control de nivel de tres elementos (1 controlador). Las señales para regular el agua de alimentación, provienen del nivel de domo, del consumo de vapor y del caudal de agua de alimentación. Diagrama P&I Diagrama de bloques El FY, aplica un factor de sensibilidad a la suma de las señales de caudales. El LT ajusta diferencias en las mediciones de los caudales debido a pérdidas y a las purgas. El FC recibe una señal compensada que corrige sobre el lazo de caudal de agua de alimentación. 21

22 Sistema de control de nivel de tres elementos (2 controladores). Diagrama P&I Con avanacción en lazo primario Diagrama de bloques Sistema de control cascada nivel-caudal + avanacción caudal. La avanacción entra en el lugar adecuado, entre los lazos externo e interno. Permite factibilidad de ajuste en la compensación y en las acciones de control. 22

23 Sistema de control de nivel de tres elementos (2 controladores). Diagrama P&I Diagrama de bloques Con avanacción en lazo secundario Sistema de control cascada nivel - caudal + avanacción caudal. La variable de lazo interno es la diferencia de de caudales de agua y vapor. El FY es empleado sobre el lazo de nivel para la corrección de las diferencias. 23

24 Control de presión de hogar Opción básica Este sistema de control, permite mantener constante la presión en el interior del hogar de la caldera. Diagrama P&I Diagrama de bloques 24

25 Observaciones FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA Control básico con independencia en los controles de manejo del aire de combustión y de la presión de hogar. El control de presión de hogar actúa directamente sobre el VTI. Para demanda de energía, el FC abre el registro del VTF, lo que aumenta la presión del hogar. El PC debe equilibrar esta presión. Provoca oscilaciones continuas por la interacción entre los lazos de caudal de aire y presión del hogar. Un modo de disminuir el efecto es lentificar el sistema, retardando unos de los lazos. 25

26 Control de presión de hogar Opción básica con variante Diagrama P&I Diagrama de bloques 26

27 Observaciones FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA Control con la acción de dos controladores. El FC A sobre ambos elementos finales (registro VTI y VTF), y el PC con acción complementaria sobre el registro del VTI. El FC A maneja ambos registros sin interacciones, respondiendo simultáneamente al control de hogar. El PC suma su salida en forma complementaria a la del FC A sobre el VTI, dando eventuales reacciones del control de caudal, demenormagnitud, que se atenúan rápidamente. 27

28 Control de presión de hogar Opción avanzada Diagrama P&I Diagrama de bloques 28

29 Observaciones FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA Control sencillo de la presión en el hogar, mantiene saltos de presión constante entre el medidor y el registro del aire. Naturalmente da lugar a que la presión en el hogar varíe indeseablemente. Debido a las magnitudes de presiones con que se opera, el costo operativo es elevado. Provoca consumos mayores, entre el 5 y el 10%, de potencia en el motor del VTF por aumento de la densidad interna del aire en el ventilador. 29

30 Control de temperatura t del aire de combustión con ajuste por temp. ambiente. Diagrama P&I Diagrama de bloques 30

31 Observaciones FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA El lazo de control de temperaturat dl del aire al hogar, es lento y depende de las áreas de intercambio de calor. Este ejemplo posee una corrección en base a la perturbación de la temperatura ambiente. Los cambios ambientales son también lentos. El FY aporta sensibilidad al TTa, dando la función de compensar los cambios cíclicos de Tamb. No tiene en cuenta los cambios de calor suministrado por el calentador de aire (ICQ). 31

32 Control de temperatura del aire de combustión con ajuste en función del intercambio en el ICQ. Diagrama P&I Diagrama de bloques 32

33 Observaciones FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA Este sistema de control tiene en cuenta las variaciones de temperatura en el ICQ, debidas a las oscilaciones propias del control de hogar. Además, posee una corrección por la perturbación de la temperatura ambiente. La señal ñlproveniente dltdt del TDT, sesumaa la de Tamb. e ingresa al lazo de control del registro del VTI, ajustándolo para corregir las variaciones i de Ta. 33

34 Control de temperatura del vapor sobrecalentado Este control permite controlar la temperatura del vapor a la salida de la caldera. Normalmente se realiza por medio de la atemperación. Factores que influyen en la temperatura final de vapor: - Exceso de aire. - Temperatura del agua de alimentación. - Tipo de combustible. - Ensuciamiento de la superficie de calefacción. Atemperación Indirecta: Se basa en producir modificaciones en las condiciones del lado de los gases (variación de la radiación de los quemadores o desviación de la circulación de gases a través del sobrecalentador). Atemperación Directa: Este método se basa en la disminución de la temperatura del vapor sobrecalentado por medio del intercambio térmico por contacto directo o indirecto del vapor con otro fluido de menor temperatura. 34

35 Atemperación directa El método universalmente de mayor utilización se basa en la inyección directa de agua dentro de la corriente de vapor sobrecalentado. Este circuito se caracteriza por contar con una rápida respuesta ante las variaciones de temperatura. La desventaja de este método radica en la necesidad de inyectar agua de alta pureza entre dos etapas sucesivas de sobrecalentamiento. 35

36 Lazos de control de temperatura de vapor sobrecalentado. El control de un elemento tiene en cuenta solo la temperatura final del vapor. El control de dos elementos tiene en cuenta el vapor final y el grado de atemperamiento. El control de tres elementos tiene en cuenta además, la variación del flujo de gases. 36

37 Control de temp. de vapor sobrecalentado Caldera Mellor Goodwin VU [tnvapor /h] Diagrama P&ID Control de la temperatura del vapor sobrecalentado: Cascada Temp.-Caudal + Avanacción pura (diferencia de temp. Sobrec. Primario). Sistema con condensador para el calentamiento t dl del agua de alimentación a la caldera. Acción diferencial de la temp. de entrada y salida del sobrecalentador primario (TDT), sobre el lazo de control del agua de atemperación. Se tiene en cuenta el efecto de los cambios en el control de hogar y balance de energía. 37

38 Control de temp. de vapor sobrecalentado Caldera Mellor Goodwin VU [tnvapor /h] Diagrama de bloques 38