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Automatizacion De Una Caldera De Tubos De Fuego

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Documentos del II Congreso Boliviano de Ing. Mecanica Electromecanica, Realizado el 2005 en Oruro-Bolivia

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Automatizacion De Una Caldera De Tubos De Fuego

  1. 1. Automatización de una caldera de tubos de fuego Germán Palacios Marquez Universidad San Francisco Xavier Facultad de Tecnología Carrera de Ing. Mecánica, Eléctrica y Electromec.
  2. 2. ¿Qué es una caldera de vapor?
  3. 3. ASPECTO FÍSICO DE UNA CALDERA DE VAPOR
  4. 4. CALDERA DE VAPOR
  5. 5. Es un recipiente cerrado destinado a la producción de vapor de agua a una presión mayor que la atmosférica.
  6. 6. Partes de una caldera de vapor
  7. 7. Gas de Combustión Chimenea Compuerta Tubos de fuego Caja de humos Hogar Gases Quemador Llama Fig. 2.2 Esquema de una caldera de tubos de fuego, tipo escocés marino.
  8. 8. Partes de una caldera de vapor n Hogar n Lacaldera propiamente dicha n Cámara de vapor n Cámara de agua n Tubos de humos o de fuego
  9. 9. Tubos de humos o de fuego
  10. 10. Calderas de vapor de tubos de fuego n Sonlas mas usadas en plantas industriales pequeñas y comercios, debido a que son: n Compactas n Económicas n Confiables
  11. 11. Características n Por lo general son de dos pasos n Los gases de combustión pasan por el interior de los tubos y el agua circula por el lado exterior. n El cuerpo de la caldera, esta formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multivalbular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor. n Son de pequeñas capacidades de producción de vapor, podría llegar hasta 5.8 MW
  12. 12. Caldera de 4 pasos
  13. 13. Aplicaciones mas frecuentes n En todos los procesos industriales y comerciales donde no se requiere muy altas presiones de vapor n Comedores n Hoteles n Hospitales n Saunas n Embotelladoras
  14. 14. Es necesario el control automático en una caldera de vapor?
  15. 15. La caldera de vapor como objeto del control automático n Es un sistema muy complejo n Tiene muchos componentes, los cuales deben trabajar de forma coordinada n Maneja dos fases de flujo, vapor y agua
  16. 16. El control automático debe garantizar n La seguridad de operación n Mejorar la eficiencia de operación n Maneja dos fases de flujo, vapor y agua
  17. 17. En la automatización de una caldera de vapor intervienen los dos tipos de control?
  18. 18. Control Regulatorio Control lógico secuencial
  19. 19. Control lógico secuencial o control ON/OFF Objetivo: Detener o prevenir una condición insegura de operación
  20. 20. Control lógico secuencial o control ON/OFF(cont.) Variables típicas que monitorea este tipo de control: n Alta o baja presión en la caldera n Alta o baja temperatura del vapor n Condiciones de fallo de llama n Alto o bajo nivel de agua en la caldera
  21. 21. Control regulatorio o control de operación Objetivo: Mantener en valores preestablecidos (fijos) las variables de salida de la caldera de vapor
  22. 22. Control regulatorio o control de operación(cont.) Variables típicas a controlar: n Presión en el cuerpo de la caldera n Control de la combustión n Nivel de agua en el cuerpo de la caldera n Temperatura del vapor
  23. 23. Control realimentado clásico Perturbaciones de carga e Entrada+ CONTROLADOR ACTUADOR PLANTA Salida - Ruido en las mediciones SENSOR
  24. 24. Control Avanzado de la presión en el cuerpo de la caldera Qué es control avanzado? Cualquier tipo de estrategia de control diferente de los clásicos
  25. 25. Se aplican en procesos cuyas características son: n Retardos de tiempo grandes n Amplia variación de los parámetros dinámicos n Variables no medibles o raramente medibles
  26. 26. Porqué control avanzado en la automatización de la caldera de vapor? n Un tiempo de retardo grande n Sus parámetros dinámicos varían n Formado por muchos componentes
  27. 27. Para su estudio se acostumbra descomponer en subsistemas: n Subsistema de tratamiento de agua n Subsistema de generación de vapor n Subsistema de prepación de combustible
  28. 28. Porqué varía la presión en la caldera? Dos son las causas principales: n Carga de la caldera n Entrada de combustible a la caldera
  29. 29. Dinámica del proceso de variación de la presión n Las calderas presentan respuestas en lazo abierto no oscilatorias n La F.T del proceso de variación de la presión es un modelo de primer orden. p(s) K p −Tos P( s) = = e Fv (s) Ts +1 n Kp Ganancia estática del sistema n T Constane de tiempo (min) n To Retardo de tiempo (min)
  30. 30. EL PREDICTOR DE SMITH Los retardos de tiempo, hacen que el análisis y diseño de los controladores se torne en mas complejos n El predictor de Smith es una estrategia que resuelve este problema
  31. 31. EL PREDICTOR DE SMITH D(s) GL (s) rc(s) e1 + e2 u(s) + y(s) + + G c (s) G p ( s )e −To s + - - ym1(s) + Gm (s) e − sTm - ym2(s) Gm (s) Fig. Configuración del predictor de Smith
  32. 32. EL PREDICTOR DE SMITH n Gp(s) = F.T del proceso ( sin retardo) n To = Retardo del tiempo del proceso n GL(s) = F.T de las perturbaciones del proceso n Gm(s) = Modelo del proceso sin retardo de tiempo. n Tm = Retardo de tiempo del modelo n Gc(s) = F.T del controlador primario o principal n D(s) = Entrada de perturbación n Rc(s) = Entrada de referencia n y(s) = Salida del proceso
  33. 33. EL PREDICTOR DE SMITH d(s) r(c) + + + Y(s) C(s) + P(s) - - - + Gn(s) Pn(s) Predictor de Smith Convencional
  34. 34. EL PREDICTOR DE SMITH d(s) r(c) + + + Y(s) C(s) + P(s) - - - + Gn(s) Pn(s) Q(s) Predictor de Smith Modificado n Eneste tipo de procesos es suficiente seleccionar un PI como controlador ⎛ ⎞ 1 ⎜ C (s) = K c ⎜1+ 1 ⎟ Q(s) = ⎜ Ti s ⎟ ⎟ 1+ T s ⎝ ⎠ f
  35. 35. CRITERIOS DE DISEÑO n Controlador PI C ( s) = 1 Kp Ti = T n Filtro Q(s) T = To f 2
  36. 36. EL PREDICTOR DE SMITH d(s) r(c) + + Y(s) Kc + P(s) - - + Pn(s) 1 1+(To/2)*s Predictor de Smith con un controlador PI
  37. 37. Aplicación d(s) r(c) + + Y(s) Kc + P(s) - - + Pn(s) 1 1+(To/2)*s Predictor de Smith con un controlador PI
  38. 38. APLICACIÓN n Mediante estimaciones, el modelo de la planta se pudo establecer n Kp = 0.23 (bar/kg) n T = 5 (min) n To = 3 (min) p(s) 0.23 −3s P( s) = = e Fv (s) 5s +1 n En realidad estos parámetros son variable en el tiempo
  39. 39. Simulación del sistema propuesto n La simulación muestra la efectividad del sistema propuesto. n La simulacion se realizo en Visim
  40. 40. Gracias por su atención
  41. 41. CALDERA DE VAPOR
  42. 42. VARIABLES A CONTROLAR EN UNA CALDERA DE VAPOR n Presión en el cuerpo de la caldera n Temperatura n Nivel de agua en el cuerpo de la caldera n Flujos de combustible y aire n Presencia o ausencia de llama
  43. 43. Instrumentación para para la caldera

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