Unidad operando a límite inferior de control de aire

Como se dijo anteriormente, un 75% de la capacidad máxima corresponde aproximadamente al límite mínimo del control de aire, es decir, el mínimo nivel de aire que se puede ingresar al compresor. Este límite está calculado de acuerdo a restricciones de seguridad para el mantenimiento de la combustión, para disminuir las emisiones y para la utilización del aire como método de enfriamiento. Este nivel asegura el mantenimiento de la temperatura en el máximo permitido, y por lo tanto, la máxima eficiencia térmica que se puede conseguir para ese nivel de potencia. Bajo este valor, la temperatura no se puede mantener en el nivel de

referencia y por lo tanto las propiedades térmicas de los gases de salida empeoran y es menor el calor entregado al recuperador de calor. En algunas ocasiones, es necesario fuego adicional para producir vapor y mantener el nivel de potencia de la turbina a vapor.

Para esta primera simulación, la potencia generada por la central de ciclo combinado es de 0,75 p.u y, como perturbación se desconecta la línea que une la barra 2 con la barra 3 con lo cual el generador queda aislado del sistema (Barra Infinita) tomando la carga de la barra 2, que corresponde a un 15% más de la potencia que entregaba antes de la perturbación (0,9 p.u).

0,74 0,75 0,76 0,77 0,78 0,79 0,80 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tiempo (s) Po te n c ia Mecá n ica ( p .u ) Pm-caso1

Figura 4.4: Potencia Mecánica Generador Caso Base Pg = 0,75 p.u

Observando la figura 4.4, se ve que luego de la perturbación, el regulador de velocidad tomó aproximadamente 16 segundos en estabilizar la máquina y llevarla al nuevo nivel de potencia. Se observa también que luego de alcanzar su valor

máximo, la potencia mecánica tiende a disminuir con una tasa de aproximadamente 0.01 p.u/seg. hasta cerca de los 5 segundos, que corresponde al momento cuando el control de temperatura se convierte en la señal de menor valor y regula el flujo de combustible de la máquina. Cerca de los 15 segundos, el gobernador de velocidad vuelve a tomar el control del combustible y lleva la potencia mecánica a su valor final cercano a los 0,891 p.u.

0,950 0,954 0,958 0,962 0,966 0,970 0,974 0,978 0,982 0,986 0,990 0,994 0,998 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tiempo (s) F recu en c ia ( p u ) Sp-caso1

Figura 4.5: Señal de Frecuencia Caso Base Pg = 0,75 p.u

Viendo el gráfico de la frecuencia (Figura 4.5), podemos apreciar que el primer mínimo lo alcanza en el momento en que la potencia mecánica alcanza su valor máximo, para luego empezar a aumentar. Sin embargo, en el momento en que la potencia mecánica empieza a disminuir producto de la acción del control de temperatura, lo mismo sucede con la frecuencia alcanzando un nuevo mínimo con un valor de 0,963 p.u (caída de 3,7% o 1,85 Hz). Finalmente, cuando la

temperatura ya ha disminuido y el gobernador de velocidad toma el control del flujo de combustible, la potencia mecánica aumenta nuevamente para elevar el nivel de frecuencia y dejarlo estable en un valor cercano a 0,98 p.u (caída de 2% o 1 Hz).

Según lo estipulado en la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicio, en su artículo 3-8 respecto a las variaciones de frecuencia (Anexo F), si llevamos los límites de frecuencia a su denominación en por unidad obtenemos (se mostrarán sólo los límites inferiores, los cuales tienen mayor importancia en el desarrollo de esta Tesis):

•Indefinidamente : 0,97 p.u y 1,03 p.u

•Durante 60 segundos : 0,96 p.u y 0,97 p.u

•Durante 15 segundos : 0,95 p.u y 0,96 p.u

•Desconexión instantánea: bajo 0,95 p.u

Viendo el gráfico de frecuencia, vemos que la frecuencia tiene un valor mínimo de 0,963 p.u, menor al 0,97 p.u exigido por la Norma Técnica. Sin embargo, la frecuencia se encuentra bajo el valor 0,97 p.u durante 6,2 segundos, menor a los 60 segundos exigidos por la NTSyCS.

Tabla 4-1: Tabla Estadística Caso Base Límite Inferior Control de Aire Error Integral (p.u) Máximo (p.u) Mínimo (p.u) Diferencia (p.u) Valor Final de Estabilización (p.u) Temperatura 0,1276(3) 1,0872 0,9976 0,0896 0,9994 P.Mecánica 2,3260(1) 0,9045 0,7489 0,1556 0,8914 Frecuencia -0,4500(2) 1,0000 0,9630 0,0370 0,9806 Combustible 2,5897(2) 0,9985 0,7489 0,2496 0,9034 Aire 2,0295(2) 0,8994 0,7494 0,1500 0,8986

Tiempos Estabilización (seg.)

Límite Máximo Temperatura(3) 5,3500

Estabilización Temperatura 1

p.u 18,7300

Estabilización P. Mecánica 15,9620

(1) Relativo a un salto en escalón de misma magnitud (2)Respecto a su valor inicial

(3)Nivel por sobre el valor 1,01 p.u considerado valor crítico real

La temperatura de la máquina se puede observar en el gráfico de la figura 4.6. La señal que tiene un nivel mayor corresponde a la temperatura real en la entrada de la turbina. La señal más suave y de menor nivel corresponde al valor entregado por las termocuplas. Se nota que al momento de la perturbación la temperatura rápidamente aumenta sobre su valor nominal de 1 p.u y supera transitoriamente el valor límite técnico de 1,01 p.u de la banda de control de temperatura en menos de un cuarto de segundo, para alcanzar un máximo de 1,087 p.u antes de los 2 segundos. Por su parte, la temperatura medida sólo alcanza un nivel máximo de 1,025 p.u. Cuando el control de temperatura regula el flujo de combustible, pasan 3,5 segundos desde la perturbación antes que la temperatura vuelva a estar bajo el nivel 1,01 p.u y se estabilice antes de los 17 segundos (15 segundos después de la perturbación). Observamos que la temperatura “medida” no sube mucho su nivel, mientras que la temperatura real aumenta más de un 6,2% con respecto a la temperatura entregada por las termocuplas al control de temperatura, por lo que este control reacciona por medio de una variable de menor magnitud y retrasada, que no entrega el real valor de la temperatura. Por lo tanto, la regulación de la temperatura siempre será menor a la necesaria y además con retardo en el tiempo, lo que lleva a la turbina a sufrir estrés térmico considerable durante una perturbación. En las próximas simulaciones, se utilizará para los cálculos estadísticos la temperatura real presente en la turbina y no el valor medido por las termocuplas, para estudiar lo que en realidad sucede en la turbina durante una perturbación.

0,99 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Tiempo (s) Tem p eratura de sa lida (p.u) Te-caso1 Tmed-caso1

Figura 4.6: Señal de Temperatura Caso Base Pg = 0,75 p.u

El estudio de otras variables intermedias de la central de ciclo combinado se realiza en el Anexo B.