PROPUESTA DE ACTUALIZACION DEL SISTEMA DE CONTROL DE ATEMPERACION DEL SOBRECALENTADOR DE UN GENERADOR DE VAPOR

(1)

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

“PROPUESTA DE ACTUALIZACIÓN DEL SISTEMA

DE CONTROL DE ATEMPERACIÓN DEL

SOBRECALENTADOR DE UN

GENERADOR DE VAPOR”

T E S I S

Que para Obtener el Titulo de:

Ingeniero en Control y Automatización

Presenta:

Mendoza Arriaga Adrian

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación

AGRADECIMIENTOS.

“No es fácil llegar, se necesita ahincó, lucha, deseo, pero sobre todo apoyo,

como el que he recibido en todo momento. Ahora más que nunca se acredita mi

cariño, admiración y respeto, gracias por lo que hemos logrado.”

Les agradezco a mis padres y a mis hermanos el apoyo que me han brindado en todo

momento, por todos los sacrificios y esfuerzos que han tenido que pasar para yo poder

finalizar con esta etapa de mi vida.

Por todo lo que hemos pasado juntos.

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Unidad Zacatenco

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

En la generación térmica de energía eléctrica, se lleva acabo el proceso de consumo de un combustible fósil para generar electricidad y por consiguiente, se sabe que los equipos están expuestos a altas temperaturas, por lo que, están operando a esfuerzos térmicos de una manera constante.

Con la finalidad de minimizar en lo posible este tipo de esfuerzos, se controla la temperatura del fluido de trabajo dentro del proceso, en este caso vapor de agua, por ser una central termoeléctrica equipada con turbinas de vapor para la generación.

El control de vapor es vital en la vida del equipo de alta temperatura y en la economía de la generación de potencia. Operando por de bajo de las temperaturas de diseño, se reduce la eficiencia termodinámica del ciclo y se incrementa el costo del combustible, operando a temperaturas superiores a las de diseño, se reducen los márgenes de resistencia de las tuberías, calentadores, válvulas y demás elementos de la turbina.

Cambios repentinos en los parámetros de operación, tienden a causar tensiones destructivas y fracturas en las partes rotatorias de los mismos equipos que interactúan en el proceso.

Dentro del proceso de sobrecalentamiento del vapor del generador de vapor de una central termoeléctrica, suelen presentarse perturbaciones por motivos tales como: la disminución de la temperatura del agua de alimentación, la acumulación de ceniza en las paredes de agua, la mala circulación dentro de las paredes de agua.

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OBJETIVO.

• OBJETIVO GENERAL.

Desarrollar una propuesta de actualización del sistema de control de atemperación de vapor sobrecalentado del generador de vapor de una central termoeléctrica, así como diseñar una herramienta computacional, con la cual se simule el comportamiento de este sistema a diferentes valores de sus parámetros principales.

• OBJETIVOS PARTICULARES.

1. Realizar un análisis termodinámico del sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor de una central termoeléctrica.

2. Generar el modelado y simulación del sistema de sobrecalentado de vapor, así como del sistema de atemperación de vapor principal de un generador de vapor.

3. Proponer un sistema que regule la temperatura del vapor sobrecalentado que se genera en un generador de vapor.

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JUSTIFICACIÓN.

El generador de vapor de la central termoeléctrica manzanillo II, tiene funcionando desde 1985, lo cual hace que sus sistemas de control tengan 23 años en operación, por lo cual, el sistema de control de atemperación que tienen en operación es inadecuado.

Para lograr un desempeño más eficiente del generador de vapor, en este trabajo se realiza una propuesta de actualización del sistema de control de atemperación, con lo cual, aumente la eficiencia de operación del equipo dentro del generador de vapor, y por consiguiente, se vea reflejado en el ahorro de costos, estos derivados por el mantenimiento en los elementos que conforman el generador de vapor.

Con la aplicación de un controlador lógico programable (PLC), se tendría un mejor control de la temperatura del vapor sobrecalentado, así como también generaría una herramienta para la simulación de disturbios dentro del sistema de vapor sobrecalentado.

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INTRODUCCIÓN.

El control eficiente de suministro de vapor es vital en la vida del equipo de alta temperatura y en la economía de la generación de potencia.

Si se operan un equipo por debajo de las temperaturas de diseño se reduce la eficiencia termodinámica e incrementa el consumo del combustible.

En la manipulación de un equipo a temperaturas superiores a las de diseño, se reducen los márgenes de resistencia de las tuberías, calentadores, válvulas y todos los elementos de la turbina y además el mantenimiento preventivo y correctivo se incrementa.

Dentro de los equipos que se encuentran expuestos a altas temperaturas en este sistema se encuentran: las paredes de agua, que son las encargadas de transformar el fluido de trabajo de un estado líquido, como lo es el agua saturada, a un estado gaseoso que es el vapor saturado.

Durante esta conversión de estados, el vapor se sobrecalienta para maximizar el rendimiento del ciclo termodinámico dentro de la central, que en este caso es el ciclo termodinámico de Rankine con sobrecalentado, por lo cual, en el proceso de

sobrecalentamiento del vapor, es necesario regular la temperatura de este, con el fin de mantenerlo en los limites establecidos para el buen funcionamiento de los equipos de la central.

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ÍNDICE.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………... ii

OBJETIVO………. iv

JUSTIFICACIÓN………... v

INTRODUCCIÓN……….. vi

ÍNDICE GENERAL………... vii

ÍNDICE DE FIGURAS……….. xi

ÍNDICE DE TABLAS……… xix

Capítulo 1:

ASPECTOS GENERALES DE UN GENERADOR DE VAPOR. 1.1. Generadores de Vapor……….. 2

1.2. Elementos Principales……….. 8

1.2.1. Ciclos de Agua………... 8

1.2.2. Ciclos de Vapor………. 12

1.3. Tipos de Control de Temperatura de Vapor………. 15

1.3.1. Control de la Temperatura del Vapor Sobrecalentado……….. 18

1.3.2. Control del Sistema de Atemperación Actual………... 19

1.3.3. Control de Atemperadores Actual………. 20

Capitulo 2:

SISTEMA DE ATEMPERACIÓN DEL SOBRECALENTADOR. 2.1. Descripción del Sistema de Atemperación………... 23

2.1.1. Sistema del Sobrecalentador………. 23

2.1.2. Sistema de Atemperación del Sobrecalentador……… 28

2.1.3. Control de Temperatura de Vapor Sobrecalentado………….. 32

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación 2.2.1. Análisis Térmico del Sistema de Sobrecalentado de Vapor

del Generador de Vapor………... 35 2.2.2. Análisis Termodinámico del Sistema de Atemperación del

Sistema de Sobrecalentado………. 56

Capitulo 3:

SIMULACIÓN EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DEL SISTEMA DE SOBRECALENTADO DE VAPOR DEL GENERADOR DE VAPOR.

3.1. Consideraciones para Modelar Matemáticamente el Sistema de

Sobrecalentado………. 64 3.2. Balance de Energía………... 65 3.3. Balance de Energía Aplicado al Sistema de Sobrecalentado de

Vapor……… 65 3.4. Diagrama a Bloques de las Secciones del Sobrecalentador de Vapor….. 71 3.5. Armado del Diagrama a Bloques del Sistema de Sobrecalentado de

Vapor………. 72 3.6. Obtención de Parámetros del Diagrama a Bloques del Sistema de

Sobrecalentado de Vapor……… 72 3.7. Simulación del Sistema de Sobrecalentado de Vapor del

Generador de Vapor……… 82

Capítulo 4:

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE ATEMPERACIÓN DE UN GENERADOR DE VAPOR.

4.1. Consideraciones en la Implementación del sistema de Control de

Atemperación del Sistema de Sobrecalentado del Generador de Vapor…… 92 4.2. Adición de Perturbaciones al Modelo Matemático del Sistema de

Sobrecalentador de Vapor……….. 94 4.3. Instrumentación y Control para el Sistema de Sobrecalentado de

Vapor del Generador de Vapor……….. 100 4.3.1. Filosofía de Control del Sistema de Sobrecalentado de

(11)

Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación 4.4. Modelado de Control para los Atemperadores del Sistema de

Sobrecalentado……… 102 4.5. Modelado de Control para las Válvulas de los Atemperadores del

Sistema de Sobrecalentado………. 104 4.6. Implementación de la Arquitectura de Control del Sistema de

Control de atemperación del Sobrecalentador del Generador de Vapor…… 105 4.7. Rangos de Operación de los Transmisores de la Arquitectura del

Sistema de control Atemperación del Sobrecalentador de un Generador

de Vapor………. 109 4.8. Controladores de Proceso a Utilizar en el Sistema de Control de

Atemperación del sistema de Sobrecalentado de Vapor del Generador de

Vapor……….. 114 4.9. Simulación del la Arquitectura de Control del Sistema de

Atemperación del Sistema de Sobrecalentado de Vapor del Generador de

Vapor………. 117 4.10. Sintonización de los Lazos de Control en Cascada de la

Arquitectura de Control del Sistema de Control de Atemperación del

Sistema de Sobrecalentado de Vapor de un Generador de Vapor………….. 121 4.10.1. Metodología para la Sintonización los Lazos de Control

que Integran a la Arquitectura de Control del Sistema de

Atemperación del Sistema Sobrecalentador de Vapor………... 121

Capitulo 5

:

PROPUESTA DE ACTUALIZACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL

DE ATEMPERACIÓN SISTEMA DE SOBRECALENTADO DE VAPOR DE UN GENERADOR DE VAPOR.

5.1. Consideraciones Preliminares para la Implementación del Sistema de

Control de Atemperación en un PLC………... 137 5.2. Consideraciones Físicas del Sistema de Sobrecalentado de Vapor

para el Diseño e Implementación del Sistema de Control de

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación 5.3. Programación en PLC del Algoritmo de Control Para el Sistema de

Control de Atemperación del Sistema de Sobrecalentado de Vapor de un

Generador de Vapor……….. 147

5.3.1. Configuración de Hardware……… 147

5.3.2. Asignación de Entradas y Salidas de los Módulos que Integran al PLC………. 150

5.3.3. Escalado de Señales de Entrada y Salida de los Módulos del PLC……….. 151

5.3.4. Programación de la Arquitectura de Control del Sistema de Control de Atemperación en RSLogix 500………... 155

5.3.4.1. Asignación de Restricciones en los Valores de Entrada………... 155

5.3.4.2. Promediado de Señales de Entrada……….. 156

5.3.4.3. Utilización de Bloques PID………. 157

Conclusiones del Trabajo………. 164

REFERENCIAS……… 166

ANEXO 1. Programación de la Arquitectura del Sistema de Control de Atemperación Diseñada para el PLC SLC 500………. 168

ANEXO 2. Formulas de Conversiones de Valores para Entradas Analógicas del PLC, SLC 500TM, Allen Bradley. ………... 176

ANEXO 3. Escalado de Bloques PID & E/S Analógicas para el PLC, SLC 500TM, Allen Bradley………... 181

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ÍNDICE DE FIGURAS.

Figura 1.1. Partes de un generador de vapor………. 2

Figura 1.2. Diagrama de un generador de vapor de circulación natural……….. 4

Figura 1.3. Diagrama de un generador de vapor de circulación asistida o controlada. Figura 1.4 Tipos de flujo dentro de los generadores de vapor………. 4

Figura 1.4 Tipos de flujo dentro de los generadores de vapor……….. 5

Figura 1.5. Generador de vapor pirotubular………. 6

Figura 1.6. Generador de vapor acuotubular……… 7

Figura 1.7. Diagrama de flujo del ciclo de agua……….. 8

Figura 1.8. Economizador………. 9

Figura 1.9. Domo superior o domo de vapor... 9

Figura 1.10.Domo inferior o domo de alimentación……….. 10

Figura 1.11. Bombas de circulación controlada……….. 11

Figura 1.12. Paredes de agua………. 11

Figura 1.13. Diagrama de flujo del ciclo de vapor……….. 12

Figura 1.14. Sobrecalentadores primario y secundario……… 14

Figura 1.15. Atemperador de atomización………. 15

Figura 1.16. Descripción de un atemperador de atomización………. 17

Figura 1.17. Acciones de control aplicadas a la temperatura………. 19

Figura 1.18. Control actual de la temperatura del vapor principal…………. 20

Figura 1.19. Control actual de un atemperador……….. 21

Figura 2.1.Paredes enfriadas por vapor dentro del generador de vapor……. 23

Figura 2.2. Nariz del Hogar………. 25

Figura 2.3 Diagrama de Flujo del Sobrecalentador……….. 27

Figura 2.4. Líneas de atemperación del sobrecalentador………. 30

Figura 2.5. Control de temperatura actual del vapor sobrecalentado………. 33

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Figura 2.7. Actualización del control de temperatura del vapor

sobrecalentado……… 35 Figura 2.8. Diagrama esquemático del sistema de sobrecalentado del

generador de vapor……… 36 Figura 2.9. Presentación de datos para el cálculo del dato “Y”

mediante la interpolación lineal……… 38 Figura 2.10. Diagrama del calor añadido al vapor en cada una de las

secciones del sobrecalentador……….. 39 Figura 2.11. Diagrama de entalpías de entrada y salida de cada una de

las secciones del sobrecalentador………. 40 Figura 2.12. Diagrama de las posiciones de los atemperadores dentro

del sistema de sobrecalentado mostrando los datos de valores

máximos en estos puntos………. 57 Figura 2.13. Portada del Programa “Análisis Termodinámico de un

a Central Termoeléctrica” ocupado para el cálculo de algunos de los

parámetros para el análisis de los atemperadores del sobrecalentador…… 58 Figura 3.1. Diagrama del sistema de sobrecalentado de vapor del

generador de vapor……….. 64 Figura 3.2. Esquema de un balance de energía……… 65 Figura 3.3. Diagrama a bloques de una de las secciones del sistema de

sobrecalentado……….. 71 Figura 3.4. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentamiento de

vapor del generador de vapor……….. 72 Figura 3.5. Esquema de las secciones del sistema de

sobrecalentamiento de vapor……….. 73 Figura 3.6. Diagrama a bloques introducido en Simulink del sistema

de sobrecalentado de vapor………. 83 Figura 3.7. Diagrama de flujo de la rutina para calcular los valores de las

constantes de tiempo y de las ganancias de las funciones de transferencia del

diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de vapor………. 84 Figura 3.8. Programación de la rutina para introducir los parámetros

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Figura 3.9. Corrida de la rutina programada en un M-File para la

adquisición de los parámetros del modelo matemático del sistema de

sobrecalentado de vapor del generador de vapor……… 85 Figura 3.10. Ventana de configuración de parámetros de simulación

para el modelo matemático del sistema de sobrecalentado de vapor…….. 86 Figura 3.11. Puntos del tomados del análisis termodinámico del

sistema de sobrecalentado de vapor, extrapolados al diagrama a

bloques que se armo en Simulink………. 86 Figura 3.12. Comportamiento de la temperatura a la salida del SH-1……… 87 Figura 3.13. Acercamiento de la curva de comportamiento de la

temperatura a la salida del SH-1………. 87 Figura 3.14. Comportamiento de la temperatura a la salida del SH-2……… 88 Figura 3.15. Acercamiento de la curva de comportamiento de la

temperatura a la salida del SH-2……….. 88 Figura 3.16. Comportamiento de la temperatura a la salida del SH-3…….. 89 Figura 3.17. Acercamiento de la curva de comportamiento de la

temperatura a la salida del SH-3………. 89 Figura 4.1. Perturbaciones planteadas en el modelado matemático del

sistema de sobrecalentado………. 94 Figura 4.2. Tabla de parámetros de configuración para la perturbación

en la temperatura de los gases del SH-1………. 95 Figura 4.3. Tabla de parámetros de configuración para la perturbación

en la temperatura de los gases del SH-2………. 95 Figura 4.4. Tabla de parámetros de configuración para la perturbación en la temperatura de los gases del SH-3………. 96 Figura 4.5. Curva de comportamiento de la temperatura de salida del

SH-1 ante una perturbación en la temperatura de los gases de

combustión……… 96 Figura 4.6. Acercamiento hecho al segmento de la curva de

comportamiento de la temperatura de salida del SH-1 ante una

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Figura 4.7. Curva de comportamiento de la temperatura de salida del

combustión………. 98 Figura 4.8. Acercamiento hecho al segmento de la curva de

comportamiento de la temperatura de salida del SH-2 ante una

perturbación en la temperatura de los gases de combustión……….. 98 Figura 4.9. Curva de comportamiento de la temperatura de salida del

combustión……… 99 Figura 4.10. Acercamiento hecho al segmento de la curva de

comportamiento de la temperatura de salida del SH-2 ante una perturbación

en la temperatura de los gases de combustión………. 99 Figura 4.11. Esquema del sistema de atemperación del sistema de

sobrecalentador de vapor……….. 101 Figura 4.12. Diagrama de bloques para el atemperador primario………….. 103 Figura 4.13. Diagrama de bloques para el atemperador secundario…………. 104 Figura 4.14. Comportamiento de la servo válvula de control de agua

de atemperación……… 104 Figura 4.15. Diagrama a bloques para la servo-válvula del

atemperador 1……….. 105 Figura 4.16. Diagrama a bloques para la servo-válvula del atemperador 2. 105 Figura 4.17. Esquema de la arquitectura de control planteada para el

sistema de control de atemperación del sobrecalentador de un

generador de vapor……… 106 Figura 4.18. Esquema de la arquitectura de control para el sistema de

control de atemperación del sobrecalentador, mostrando al lazo en cascada primario, este siendo el que regula la temperatura en la

sección terciaria del sobrecalentado………. 107 Figura 4.19. Esquema de la arquitectura de control para el sistema de

control de atemperación del sobrecalentador, mostrando al lazo en cascada secundario, este siendo el que regula la temperatura en la

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Figura 4.20. Posición de transmisores dentro del sistema de

sobrecalentado de vapor y numeración de estos……… 110

Figura 4.21. Diagrama a bloques del transmisor TT-01A………. 111

Figura 4.22. Diagrama a bloques del transmisor TT-01B………. 112

Figura 4.23. Diagrama a bloques del transmisor TT-02A………. 112

Figura 4.24. Diagrama a bloques del transmisor TT-02B………. 113

Figura 4.25. Diagrama a bloques de un controlador PID………. 116

Figura 4.26. Esquema de la arquitectura de control del sistema de control de atemperación del sobrecalentador del generador de vapor, mostrando la nomenclatura de cada una de sus partes………. 117

Figura 4.27. Diagrama a bloques del sistema de control de atemperación del sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor armado en la herramienta Simulink del paquete MatLab……….. 120

Figura 4.28. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de vapor, incorporando el diagrama a bloques del lazo interno del primer lazo en de control en cascada del sistema de control de atemperación, este lazo se remarca en color naranja……… 123

Figura 4.29. Parámetros obtenidos por medio de la sintonización del controlador interno del lazo de control en cascada primario del 124 sistema de control de atemperación……… Figura 4.30. Respuesta de la temperatura a la sintonización del controlador interno del lazo de control en cascada primario……….. 124

Figura 4.31. Acercamiento hecho a la respuesta de la temperatura a la sintonización del controlador interno del lazo de control en cascada primario………. 125

Figura 4.32. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de vapor, incorporando el diagrama a bloques del lazo en de control en cascada primario completo, esta parte del sistema de control de atemperación, este lazo se remarca en color naranja………. 125

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Figura 4.34. Respuesta de la temperatura a la sintonización del

controlador externo del lazo de control en cascada primario……… 126 Figura 4.35. Acercamiento hecho a la respuesta de la temperatura a la

sintonización del controlador externo del lazo de control en cascada

primario………. 127 Figura 4.36. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de

vapor, incorporando el diagrama a bloques del lazo interno del primer lazo en de control en cascada del sistema de control de

atemperación, este lazo se remarca en color verde………. 128 Figura 4.37. Parámetros obtenidos por medio de la sintonización del

controlador interno del lazo de control en cascada secundario del

sistema de control de atemperación……… 128 Figura 4.38. Respuesta de la temperatura a la sintonización del

controlador interno del lazo de control en cascada secundario………. 129 Figura 4.39. Acercamiento hecho a la respuesta de la temperatura a la

sintonización del controlador interno del lazo de control en cascada 129 secundario……….. Figura 4.40. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de

vapor, incorporando el diagrama a bloques del lazo en de control en

130 cascada secundario completo, esta parte del sistema de control de

atemperación, este lazo se remarca en color verde……… Figura 4.41. Parámetros obtenidos por medio de la sintonización del controlador externo del lazo de control en cascada primario del

sistema de control de atemperación……… 131 Figura 4.42. Respuesta de la temperatura a la sintonización del

controlador externo del ……… 131 Figura 4.43. Acercamiento hecho a la respuesta de la temperatura a la

sintonización del controlador externo del lazo de control en cascada

primario………. 131 Figura 4.44. Simulación del sistema de sobrecalentado de vapor ante

perturbaciones con el sistema de control de atemperación ya

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Figura 4.45. Acercamiento hecho a la curva de respuesta de

temperatura del sistema de sobrecalentado de vapor con el sistema de

control de atemperación ya implementado………. 133 Figura 4.46. Diagrama a bloques del sistema de sobrecalentado de

vapor con el sistema de control de atemperación ya implementado, esta añadiéndole perturbaciones aleatorias al sistema de

sobrecalentado de vapor……….. 134 Figura 4.47. Respuesta de la temperatura de salida del sistema de

sobrecalentado de vapor con el sistema de control de atemperación

ya implementado añadiéndole señales aleatorias como perturbación…….. 134 Figura 4.48. Comportamiento de la temperatura de salida del sistema

de sobrecalentado de vapor habiendo implementado el sistema de

control de atemperación añadiéndole perturbaciones aleatorias………….. 135 Figura 5.1. Esquema de la arquitectura de control del sistema de

control de atemperación identificando cada una de sus partes………. 139 Figura 5.2. Instrumentación de sistema de control de atemperación del sistema de sobrecalentado de vapor……….. 142 Figura 5.3. Diagrama físico del sistema de control de atemperación del

sistema de sobrecalentado de vapor del generador de vapor………. 144 Figura 5.4. Selección del procesador del PLC en RSLogix 500. 148 Figura 5.5. Selección del chasis a usar en el PLC en RSLogix 500………….. 148 Figura 5.6. Selección de los módulos de E/S del PLC en RSLogix 500…….. 149 Figura 5.7. Ventana de configuración de Fuente de Alimentación en

RSLogix 500……….. 149 Figura 5.8. Líneas de instrucción de escalado de los transmisores TT-

01AA & TT-01AB en el programa del sistema de control de atemperación….. 152 Figura 5.9. Líneas de instrucción de escalado de las válvulas TV-01A

& TV-01B en el programa del sistema de control de atemperación……….. 153 Figura 5.10. Diagrama de flujo de la rutina que se programo en el

PLC, para la implementación de la arquitectura de control del sistema de control de atemperación del sistema de sobrecalentado de

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Figura 5.11. Comparación de límites permitidos en las señales de los

transmisores TT-01AA & TT-01AB……….. 156 Figura 5.12. División de las señales de entrada de los transmisores

TT-01AA & TT-01AB………... 156 Figura 5.13. Procedimiento de suma de las señales de los transmisores

TT-01AA & TT-01AB después de haberse dividido entre dos. ………. 157 Figura 5.14. Diagrama de localidades de memoria ocupadas en el

PLC para cada señal de la arquitectura de control del sistema de

control de atemperación………. 158 Figura 5.15. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-01A………. 159 Figura 5.16. Parámetros de configuración del boque PID del

controlador TC-01A………... 159 Figura 5.17. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-01B………. 160 Figura 5.18. Parámetros de configuración del boque PID del

controlador TC-01B………. 160 Figura 5.19. Asignación del punto de referencia al bloque de

instrucción PID asignado para el controlador TC-01B……….. 160 Figura 5.20. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-02A………. 161 Figura 5.21. Parámetros de configuración del boque PID del

controlador TC-02A………. 162 Figura 5.22. Asignación del punto de referencia al bloque de

instrucción PID asignado para el controlador TC-02A……….. 162 Figura 5.23. Bloque de instrucción PID para el controlador TC-02B……….. 162 Figura 5.24. Parámetros de configuración del boque PID del

controlador TC-02B……… 162 Figura 5.25. Asignación del punto de referencia al bloque de

(21)

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ÍNDICE DE TABLAS.

Tabla 2.1 Descripción de las partes del sistema del sobrecalentador………… 26 Tabla 2.2. Parámetros conocidos de sistema de sobrecalentado del generador de vapor a diferentes porcentajes de carga de trabajo de la

unidad………. 37 Tabla 2.3. Valores de las entalpías y densidades calculas de tablas de vapor en

base a las temperaturas conocidas……… 38 Tabla 2.4. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 2-6, 2-7&

2-8……… 41 Tabla 2.5. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una

presión de 160 bares……….. 42 Tabla 2.6. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una

presión de 173.65 bares por medio de una segunda interpolación……… 43 Tabla 2.8 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una

presión de 160 bares……….. 43 Tabla 2.9 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1 a una

presión de 180 bares………. 44 Tabla 2.10. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1a una

presión de 173.65 bares por medio de una segunda interpolación……….. 44 Tabla 2.11. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 2-13, 2-14

& 2-15………. 47 Tabla 2.12. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una

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Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Tabla 2.14. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una

presión de 173.65 bares por medio de una segunda interpolación………

48 Tabla 2.15 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1a una

presión de 160 bares……… 49 Tabla 2.16 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1a una

presión de 180 bares……….. 49 Tabla 2.17. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1a una

presión de 173.65 bares por medio de una segunda interpolación………. 49 Tabla 2.18. Tablas de entalpías calculadas en base a las ecuaciones 22 y

2-23………. 52 Tabla 2.19. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una

presión de 160 bares………. 53 Tabla 2.20. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una

presión de 180 bares………. 53 Tabla 2.21. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx” a una

presión de 173.65 bares por medio de una segunda interpolación……… 53 Tabla 2.22 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1a una

presión de 160 bares……… 54 Tabla 2.23 Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1a una

presión de 180 bares……….. 54 Tabla 2.24. Calculo de la temperatura correspondiente a la entalpía “hx1” a

una presión de 173.65 bares por medio de una segunda interpolación……… 55 Tabla 2.25. Resultados obtenidos mediante el análisis térmico del sistema de

sobrecalentamiento del generador de vapor a tres diferentes cargas de trabajo del generador de vapor………. 55 Tabla 2.26. Datos ocupados para analizar termodinámicamente a los atemperadores del sistema de sobrecalentado……… 59

(23)

Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Tabla 2.27. Datos obtenidos para el análisis del atemperador por medio de la

ecuación 2.25………. Tabla 3.1. Datos obtenidos Prontuario de Datos Técnicos de la C. T.

Manzanillo II de la C.F.E sobre parámetros mecánicos de las partes del

sistema de sobrecalentamiento de vapor del generador de vapor………….. 73 Tabla 3.2. Valores calculados a partir de los datos de parámetros mecánicos de la tabla 3.1………. 74 Tabla 3.3. Datos obtenidos Tablas de Comportamiento Esperado del

Generador de Vapor del Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi

Unidades 1 y 2, de la C. T. Manzanillo II sobre valores del flujo en el sistema

de sobrecalentado de vapor………. 75 Tabla 3.4. Datos obtenidos Tablas de Comportamiento Esperado del

Generador de Vapor del Instructivo del Generador de Vapor Mitsubishi

Unidades 1 y 2, de la C. T. Manzanillo II sobre los valores ideales de las

temperaturas de salida en las secciones del sistema de sobrecalentado de

vapor………. 75 Tabla 3.5. Resultados de la conversión entre escalas de temperatura de los

valores de temperaturas de las secciones del sistema de

sobrecalentado………. 76 Tabla 3.6. Capacidades caloríficas calculadas mediante la ecuación 3-7 y los

(24)

Propuesta De Actualización Del Sistema de Control Del Sistema De Atemperación Tabla 3.10. Valores para el cálculo del coeficiente global de transferencia de

energía para el caso del SH-1……… 79 Tabla 3.11. Valores para el cálculo del coeficiente global de transferencia de energía para el caso del SH-2……… 79 Tabla 3.12. Valores para el cálculo del coeficiente global de transferencia de energía para el caso del SH-2……… 80 Tabla 3.13. Valores de los coeficientes de transferencia de energía obtenidos mediante los cálculos anteriores………. 81 Tabla 3.14. Parámetros de las funciones de transferencia establecida en las

ecuaciones 3-24, 3-25 y 3-26 ocupados para hacer la simulación del sistema

de sobrecalentado de vapor del generador de vapor……….………. 81 Tabla 5.1 Cuantificación de entradas y salidas físicas al sistema de

control………. 143 Tabla 5.2 Cuantificación total de entradas y salidas físicas al sistema

de control……….. 145 Tabla 5.3 Asignación de ranuras de los módulos del PLC………... 150 Tabla 5.4 Rangos de representación decimal para la señal de entradas

analógicas de los módulos del PLC……….. 151 Tabla 5.5 Parámetros para la utilización de la instrucción SCL para el

escalado de señales de entrada analógicas……… 151 Tabla 5.6 Rangos de representación decimal para señales de salida

analógicas de los módulos del PLC………. 152 Tabla 5.7 Parámetros para la utilización de la instrucción SCL para el

(25)

Capítulo 1:

(26)

1.1 Generadores de Vapor.

Concepto.

Un generador de vapor convierte el agua líquida en vapor a una presión y temperatura

predeterminadas. La Figura 1.1 muestra un generador de vapor, el cual está constituido

[image:26.612.150.464.241.473.2]

principalmente por: Economizador, evaporador y sobrecalentador.

Figura 1.1. Vista general de un generador de vapor

Un generador de vapor funciona mediante la transferencia de calor al agua contenida o

circulando dentro de él, el calor se produce generalmente al quemarse un combustible.

En todo el generador de vapor se distinguen dos zonas importantes:

Zona de liberación de calor u hogar o cámara de combustión: Es el lugar donde se

quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico o

(27)

Interior: El hogar se encuentra dentro del recipiente metálico, rodeado de paredes

refrigeradas por agua.

Exterior: Hogar construido fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o

sin paredes refrigeradas por agua.

La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama -

agua).

Zona de tubos: Es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos)

transfieren calor al agua principalmente por Convección (gases - agua). Está constituida

por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua

Tipos

Existen varias clasificaciones de generadores de vapor, entre las que se pueden

señalar:

Según su utilización:

• De vapor

• De agua caliente

• Móvil o portátil

• Fija o estacionaria

Según la presión de trabajo:

• Baja presión: 0 a 2.5 Kg/cm2

• Media presión: 2.5 a 10 Kg/cm2

• Alta presión: 10 a 225 Kg/cm2

(28)

Según la circulación de agua dentro del generador de vapor:

• Circulación Natural: el agua se mueve por efecto térmico, como se

muestra en la Figura 1.2. el agua pasa por gravedad y diferencia de

altura del domo superior a las paredes del hogar.

Figura 1.2. Diagrama de un generador de vapor de circulación natural.

Circulación Forzada: el agua se hace circular mediante bombas como se ve en la

Figura 1.3. el agua se bombeo para que pase en las paredes de agua.

(29)

Sin embargo, la clasificación más aceptada se basa en la circulación del agua y de los

gases calientes en la zona de tubos de los generadores. Según esto se tienen dos tipos

generales de generadores

• Pirotubulares o de Tubos de Humos: En estas generadores los humos

pasan por dentro de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea,

como se muestra en la Figura 1.4a.

• Acuotubulares o de Tubos de Agua: El agua circula por dentro de los

tubos, captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior

como se ve el la Figura 1.4b.

Figura 1.4 Tipos de flujo dentro de los generadores de vapor.

Según su construcción.

• Construcción Horizontal

• Construcción Vertical.

Generadores de Vapor Pirotubulares.

Son recipientes metálicos, comúnmente de acero, de formas cilíndricas o

semicilíndricas, atravesados por grupos de tubos por donde circulan los gases de

(30)

Por problemas de resistencia de materiales, su tamaño se limita. Sus dimensiones

alcanzan hasta 4.5 m de diámetro y 10 m de largo. Se construyen para capacidades

máximas de 15000 Kg/h de vapor y sus presiones de trabajo no superan as 18 Kg/cm2

Pueden producir agua caliente o vapor saturado. En el primer caso se les instala un

estanque de expansión que permite absorber las dilataciones del agua. En el caso de

generadores de vapor poseen un nivel de agua a 10 cm o 20 cm sobre los tubos

superiores. En algunos generadores mixtos se les instalan un banco de tubos

recalentadores de vapor, ubicado en el hogar o cerca de él. Un ejemplo de este tipo de

generador esta en la Figura 1.5.

Entre sus características se puede mencionar;

• Sencillez de construcción

• Facilidad de inspección, reparación y limpieza

• Gran peso.

• Lenta puesta en marcha

• Gran peligro en caso de explosión o ruptura debido al gran volumen de agua

[image:30.612.208.408.459.611.2]

almacenada

Figura 1.5. Generador de vapor pirotubular.

Generadores de Vapor Acuotubulares.

Se componen de uno o más cilindros que almacenan el agua y vapor (colectores o

(31)

Estos generadores de vapor se usan cuando los requerimientos de vapor, en

cantidad y calidad son altos. Se construyen para capacidades mayores a

5000 Kg/h de vapor (5 Ton/h), con valores máximos, en la actualidad de

2000 Ton/h. Permiten obtener vapor a temperaturas del orden de 500 ºC y

presiones de 200 Kg/cm2 o más.

Debido a que utilizan tubos de menor diámetro, aceptan mayores presiones

de trabajo, absorben mejor las dilataciones y son más seguras. Su peso en

relación a la capacidad es reducido.

Requieren poco tiempo de puesta en marcha y son más eficientes. No se

construyen para bajas capacidades debido a que su construcción más

compleja las hacen más caras que las generadores pirotubulares.

Clasificación

• Tubos Rectos

• Tubos Curvados de dos o más colectores

• Circulación natural.

• Circulación Forzada

La Figura 1.6 muestra un generador de vapor tipo acuotubular.

(32)

1.2. Elementos Principales.

Refiriéndose a los diagramas, el flujo de agua y vapor a través de la unidad, se pueden

hacer la siguiente clasificación:

1.2.1. Ciclos de Agua

Las partes que integran el ciclo de agua son: tuberías de agua de alimentación, tubería

de recirculación del economizador, domo superior, bombas de circulación controlada,

tuberías principales de bajada, domo inferior o de alimentación, paredes de agua y

cabezales. Como se observa el la Figura 1.7.

Figura 1.7. Diagrama de flujo del ciclo de agua.

Economizador.

La función del economizador es precalentar el agua de alimentación del generador antes

de que sea introducida en el domo, recuperando parte del calor de los gases que dejan el

generador. Este equipo esta situado en la salida de la generador, en el paso de gases y

esta compuesto por un número de tubos paralelos, arreglados en filas horizontales de tal

manera que cada fila esta alternada a la fila superior e inferior. Los tubos del

economizador tienen una aleta espiral para aumentar la superficie efectiva de

(33)

El agua de alimentación se suministra al economizador a través de su cabezal, check y

válvulas de retención. El flujo del agua a través del economizador, esta a contra flujo de

los gases calientes. La mayor parte de la transferencia de calor se produce aquí. Desde

los cabezales de salida el agua de alimentación se conduce al domo a través de las

derivaciones de las salidas del economizador. Fácil de observar el la siguiente Figura

1.8.

Figura 1.8. Economizador.

Domo de Vapor o Domo Superior.

El domo de vapor es un recipiente cilíndrico horizontal, que recibe el agua de

alimentación del cabezal de salida del economizador, su función es la de separar el agua

del vapor generado en las paredes del hogar y reducir el contenido de sólidos disueltos

en el vapor, también, se encarga de suministrar agua al domo de alimentación y

suministrar el vapor generado en las paredes del hogar a los cabezales de entrada del

sobrecalentador de la generador. Ver Figura 1.9.

(34)

Domo Inferior o Domo de Alimentación.

El domo inferior es un recipiente cilíndrico horizontal instalado en la parte inferior del

generador de vapor, su función principal es la de distribuir el agua que recibe de las

descargas de las bombas de circulación controlada en las paredes de agua del hogar,

también este equipo, cuenta con líneas de recirculación de agua al economizador y una

línea de drenaje que se utiliza para vaciar el generador de vapor cuando se encuentra

fuera de servicio y despresurizado. Ver figura 1.10.

Figura 1.10.Domo inferior o domo de alimentación.

Bombas de Circulación Controlada.

Las bombas de circulación controlada succionan el agua del cabezal de succión

proveniente del domo superior y la envían hacia el domo inferior, estas tienen como

función dar más velocidad al flujo de agua a través de las paredes de agua del

generador, creando una circulación más rápida y un enfriamiento más adecuado.

Se tienen 3 bombas de circulación controlada que abastecen el 50% de capacidad del

sistema cada una, de manera que normalmente dos están en servicio y una de reserva.

Cada una de las bombas se acciona por medio de un motor eléctrico. Ver Figura 1.11.

El motor de las bombas de circulación controlada trabaja totalmente inundado en agua

(35)

Figura 1.11. Bombas de circulación controlada.

Paredes de Agua.

Las paredes de agua son las principales superficies de generación de vapor en el

generador. Desde el domo superior, los tubos principales de bajada suministran agua al

cabezal de entrada de las paredes de agua (domo inferior o de alimentación).

Cada una de las dos paredes de agua laterales consiste en tubos centrados y soldados

para formar un panel hermético. Terminan en los cabezales de salida de las paredes de

agua laterales, el cual descarga la mezcla de vapor-agua, generada en estas paredes,

dentro del domo superior. Como se muestra en la Figura 1.12.

(36)

La pared de agua posterior también se compone de tubos centrados y soldados para

formar un panel hermético, a una elevación específica, estos tubos continúan para

formar el techo. Los tubos del techo descargan la mezcla vapor-agua, directamente

dentro del domo superior.

La pared de agua frontal también se compone de tubos centrados y soldados para formar

un panel hermético, a la misma elevación de la pared posterior, descarga la mezcla

vapor-agua, directamente al domo superior.

1.2.2. Ciclos de Vapor.

Las partes que integran el ciclo de vapor son: sobrecalentador, tubos de conexión del

sobrecalentador, atemperador, tubos terminales (colgantes) del sobrecalentador y tubería

[image:36.612.106.547.374.670.2]

de vapor principal. El diagrama de flujo de vapor se muestra en la Figura 1.13.

Figura 1.13. Diagrama de flujo del ciclo de vapor.

1. Cabezal de Entrada Baja Temperatura. 2. Cabezal “U”.

3. Cabezal de Salida Vapor Baja Temperatura.

4. Tubería de Entrada al Sobrecalentador Primario.

5. Cabezal de Entrada al Sobrecalentador Primario.

6. Cabezal de Salida del Sobrecalentador Primario.

7. Tubería de Salida del Sobrecalentador Primario.

8. Cabezal de Entrada al Sobrecalentador Secundario.

9. Cabezal de Salida del Sobrecalentador Secundario.

10. Tubería de Salida del Sobrecalentador Secundario.

11. Cabezal de Entrada al Sobrecalentador Terciario.

12. Cabezal de Salida del Sobrecalentador Terciario.

13. Cabezal de Entrada al Recalentador. 14. Cabezal de Salida del Recalentador

Primario.

15. Cabezal de Salida del Recalentador. 16. Sobrecalentador Primario. 17. Sobrecalentador Secundario. 18. Sobrecalentador Terciario. 19. Recalentador Primario. 20. Recalentador Secundario. 21. Hogar.

(37)

Sobrecalentador.

El sobrecalentador está compuesto básicamente por cuatro etapas ó secciones: una

sección de pared enfriada por vapor, una primera sección (Panel), una segunda sección

(Platen) y una tercera sección (Pendant).

La sección de paredes enfriadas por vapor la forma: el paso posterior de gas de la pared

lateral y la pared del techo.

El paso posterior de gas de la pared lateral está compuesto de tubos aleteados, dichos

tubos están separados de sus centros equitativamente. Las paredes enfriadas por vapor

del techo, están compuestas de tubos separados homogéneamente con respecto a la

distancia entre centros.

La primera sección del sobrecalentador divide la parte superior del hogar en caminos de

gases enfriados debido a la transferencia por radiación.

La dirección del flujo en cada grupo de elementos es hacia abajo en los extremos (tubos

frontales y posteriores) y hacia arriba en la parte central, hasta llegar al cabezal de salida

del primer sobrecalentador.

El primer sobrecalentador lo constituyen ocho grupos de elementos verticales (panel)

cuyo diámetro exterior de sus tubos es mayor que en otros, con la finalidad de proteger

al metal. Como se ve en la Figura 1.14a. Cada panel se encuentra fijo por medio de

tubos espaciadores enfriados por agua y vapor para mantener constantes los espacios.

El segundo sobrecalentador está localizado entre el primero y el arco que forma la

(38)

Figura 1.14. Sobrecalentadores primario y secundario.

Este sobrecalentador está constituido por grupos de elementos (platen) espaciados

uniformemente a lo ancho del hogar. Cada platen está formado de tubos separados

homogéneamente con respecto a la distancia entre centros.

Su tipo de arreglo es de dos circuitos verticales. Cada platen es suspendido del techo a

través de un haz colgante por medio de resortes, varillas y sellos tipo corona.

El tercer sobrecalentador se encuentra en la parte superior del arco que forma la nariz

del hogar. Esta constituido por grupos de elementos espaciados uniformemente a lo

ancho del hogar. Cada grupo esta formado de tubos separados homogéneamente con

respecto a la distancia entre centros. El sistema de sujeción en éste sobrecalentador es

igual al del segundo.

Atemperadores.

Los atemperadores están montados en las conexiones de derivación del sobrecalentador

y en la línea de recalentado frió para permitir una reducción de la temperatura del vapor,

cuando sea necesario mantener los valores de temperatura de diseño, dentro de los

(39)

La reducción de temperatura se logra por medio de la inyección de agua de atomización

dentro del recorrido del vapor a través de una tobera en el extremo de entrada del

atemperador. Ver la Figura 1.15., la fuente de agua de atomización es del sistema de

agua de alimentación del generador. Es esencial que el agua de atomización sea

químicamente pura y libre de sólidos para prevenir depósitos o incrustaciones en el

sobrecalentador y recalentador y aun en la turbina.

Figura 1.15. Atemperador de atomización.

Los cuatro atemperadores primarios están instalados en las tuberías de conexión del

cabezal de salida del primer sobrecalentador con el cabezal de entrada del segundo

sobrecalentador. Los dos atemperadores secundarios están instalados en los enlaces que

conectan el cabezal de salida del segundo sobrecalentador con el cabezal de entrada del

tercer sobrecalentador.

El agua en forma de rocío es inyectada en el extremo de entrada de cada atemperador

para hacer posible la reducción de la temperatura de vapor cuando sea necesario, y

mantener la misma a su valor de diseño dentro de los límites de capacidad de la tobera.

La situación de los atemperadores ayuda a asegurar que no haya arrastres de agua a la

turbina y también eliminan la necesidad de materiales resistentes a muy altas

temperaturas en la construcción del atemperador.

1.3. Tipos de Control de Temperatura de Vapor.

El control de vapor es vital en la vida del equipo de alta temperatura y en la economía

(40)

Operando de bajo de las temperaturas de diseño, reduce la eficiencia termodinámica e

incrementa el costo del combustible, y en temperaturas superiores a las de diseño,

reduce los márgenes de resistencia de las tuberías, calentadores, válvulas y los

elementos de la turbina.

Cambios repentinos o temperaturas extremas pueden causar tensiones destructivas y/o

fracturas en las partes rotatorias del equipo. Esto es a veces necesario, por las

complejidades envueltas en el diseño y evaluación de los rangos de transferencia de

calor y las variaciones de las características del combustible, al modificar equipo

instalado, para obtener los márgenes requeridos de temperatura.

Tales cambios pueden involucrar la instalación de deflectores que distribuyan los gases

de combustión en los sobrecalentadores o adicionar mas secciones de intercambio de

calor en el sobrecalentador o en los componentes de precalentado del sobrecalentador,

lo cual afectaría la temperatura de los gases de combustión que llegan al

sobrecalentador.

Para la rutina de operación, es esencial proveer un adecuado sistema de control de

temperatura del vapor para la compensación de las probables variaciones en el

combustible, transferencia de calor, y limpieza de las superficies de transferencia.

Esto puede incluir, damper´s para el control de los gases que llegan al sobrecalentador,

recirculación de los productos gaseosos de baja temperatura de la combustión en el

hogar, para cambiar relativamente la absorción de calor en el hogar y en el

sobrecalentador.

También se puede incluir el uso de quemadores a diferentes elevaciones en el hogar o el

uso de la inclinación de los quemadores para cambiar la altura de la zona de combustión

con respecto al hogar y la superficie de transferencia de calor, atemperación o control de

enfriamiento del vapor de entrada al sobrecalentado, a la salida del sobrecalentador, o

(41)

Finalmente se debe tener el control del rango de la llama dividida en el hogar y control

del rango relativo de la llama bombeando un rango de agua en flujo forzado a través del

hogar.

La velocidad de respuesta difiere por varios métodos, el control de la temperatura de

vapor por el bypass de gases de combustión o por la posición de la flama, es más lento

que ocupando la atomización de agua de la atemperación. La operación de los controles

por estos métodos puede clasificarse como: manual, automático o una combinación de

ambos, y el uso de más de un método a menudo facilita el mantenimiento constante de

la temperatura de vapor a los diferentes rangos de carga del generador de vapor.

La atemperación del vapor sobrecalentado por contacto directo de agua de atomización,

resulta en un equivalente incremento en la alta presión del vapor generado sin pérdida

térmica. La atomización para la atemperación esencialmente requiere del uso de agua

pura, tal como el agua de condensación, para evitar impurezas en el vapor. Como se

observa en la Figura 1.16.

Figura 1.16. Descripción de un atemperador de atomización.

Cenizas y escorias depositadas en la superficie del sobrecalentador reduce la

transferencia de calor y la baja temperatura del vapor. Similares depósitos en las paredes

del hogar y en la superficie de generación de vapor adelante del sobrecalentador

también reduce la transferencia de calor a esas superficies, resultando en

sobre-temperaturas de los gases de combustión que se dirigen al sobrecalentador y

(42)

Así el control de la limpieza de las superficies es un importante factor en el control de la

temperatura del vapor.

El aumento en exceso del aire resulta en altas temperaturas del vapor, por que reduce la

absorción de calor radiante en el hogar en la mayor cantidad de gases de combustión e

incrementa la transferencia de calor por convección en el sobrecalentador.

Operando con agua de alimentación por debajo de lo previsto, también resulta en un

incremento de la temperatura del vapor porque requiere un mayor rango de llama para

mantener la generación de vapor.

1.3.1. Control de la Temperatura del Vapor Sobrecalentado.

La temperatura del vapor sobrecalentado se controla al hacer variar la intensidad del

calor dirigido hacia los sobrecalentadores, al contrario que con las paredes de agua. Esto

se puede realizar al inclinar los quemadores, o al recircular o desviar el gas combustible.

A menudo se aplica un control fino al atemperar el vapor sobrecalentado con agua de

alimentación. Pero esta práctica conduce a trabajo perdido, en cuanto a que el agua para

atemperación se desvía de la superficie de transferencia de calor para evaporación, lo

que eleva en consecuencia la temperatura interna más allá de lo necesario.

El sistema de control que se muestra en la Figura 1.17., minimiza el flujo de agua para

atemperación al mismo tiempo que mantiene un control de la temperatura que responde.

El controlador de temperatura a la salida del sobrecalentador ajusta en cascada la

temperatura de admisión, con la medición secundaria como retroalimentación para el

(43)

Esto evita el cierre con cargas bajas, cuando no se puede mantener las temperaturas

elevadas.

Figura 1.17. Acciones de control aplicadas a la temperatura.

El control de la temperatura de admisión esta dividido, con acciones proporcionales y

derivativas aplicadas a la atemperación. Con desviación cero, la válvula atemperadora

siempre regresara a la misma posición, igual a la polarización de salida del controlador.

Un controlador Proporcional más Integral (PI) modula las posiciones del quemador o

del regulador de tiro; su efecto sobre el sobrecalentamiento es mas bajo que el de la

válvula de atemperación, pero son necesarias para el control a largo plazo.

1.3.2. Control del Sistema de Atemperación Actual.

El objetivo de este sistema es controlar aproximadamente a 541 °C la temperatura de

vapor sobrecalentado. Está formado por dos partes independientes: la primera, controla

la temperatura de salida del sobrecalentador secundario; y para lograrlo, regula el flujo

de agua de atemperación, la cual se atomiza en cuatro atemperadores, tal y como puede

verse en la Figura 1.18.

La segunda etapa comprende el control de la temperatura de vapor principal. Para

lograrlo, dispone de dos atemperadores ubicados en la entrada al sobrecalentador

(44)

La respuesta de ambas etapas del control es la siguiente: al variar la temperatura del

vapor a un valor mayor que el valor de ajuste para la carga actual, el control mandará

abrir las válvulas de atemperación hasta que la temperatura del vapor baje nuevamente a

su valor normal. Si la temperatura disminuye a un valor menor que el valor de ajuste, el

control ordenará cerrar las válvulas de atemperación, hasta lograr que la temperatura del

vapor suba a su valor normal.

Figura 1.18. Control actual de la temperatura del vapor principal.

1.3.3. Control de Atemperadores Actual.

Una válvula de control, enlazada a una unidad de control automático, regula el flujo de

agua de atemperación suministrada a cada atemperador. Válvulas de bloqueo están

instaladas en las líneas de suministro de agua a las estaciones de control del

atemperador como válvulas de cierre adicionales, para prevenir fugas a través de las

válvulas de control cuando éstas son cerradas.

Las válvulas de bloqueo deberán cerrarse cuando la atemperación no se requiera. Una

válvula operada manualmente se suministra sobre ambos lados de cada válvula de

(45)

Figura 1.19. Control actual de un atemperador.

Una válvula de control manual en la línea de by-pass alrededor de la válvula de control

automático y las dos válvulas de aislamiento se utilizan únicamente en el caso de una

emergencia ó cuando una válvula de control automático requiera mantenimiento. La

fuente del agua de atemperación es desde el circuito de agua de alimentación. Es

esencial que el agua de atemperación sea químicamente pura y libre de sólidos, con el

(46)

Capitulo 2:

(47)

2.1 Descripción del Sistema de Atemperación. 2.1.1 Sistema del Sobrecalentador.

El sobrecalentador está compuesto básicamente por cuatro etapas ó secciones: una

sección de pared enfriada por vapor, una primera sección (panel), una segunda sección

(platen) y una tercera sección (pendant).

La sección de paredes enfriadas por vapor la forma el paso posterior de gas de la pared

lateral y la pared del techo, como se muestra en la Figura 2.1.

Paredes Enfriadas por Vapor.

Cabezal “U” Paredes de

Agua.

Figura 2.1.Paredes enfriadas por vapor dentro del generador de vapor.

El paso posterior de gas de la pared lateral está compuesto de tubos aleteados (2 x 69),

tubos con distancias entre centros de 116 mm. La pared enfriada por vapor del techo,

está compuesta de 114 tubos con aleta soldada, con distancias entre centros de 116 mm.

Un sello deslizante se localiza en el pasaje frontal, donde los tubos del sobrecalentador

de radiación van del hogar al cabezal de entrada. Otro sello fijo se localiza donde los

tubos del sobrecalentador de radiación entran al hogar, esto con el objeto de permitir los

movimientos de expansión hacia adelante con relación a los tubos de las paredes del

(48)

Los medios utilizados para soportar el sobrecalentador se seleccionan cuidadosamente,

considerando la expansión térmica, temperatura del metal, etc.

La primera sección del sobrecalentador divide la parte superior del hogar en caminos de

gases enfriados debido a la transferencia por radiación (1392 mm. cada espacio).

La dirección del flujo en cada grupo de elementos es hacia abajo en los extremos (tubos

frontales y posteriores) y hacia arriba en la parte central, hasta llegar al cabezal de salida

del primer sobrecalentador.

El primer sobrecalentador lo constituyen ocho grupos de elementos verticales (panel)

cuyo diámetro exterior de sus tubos es mayor que en otros, con la finalidad de proteger

al metal.

Esta sección además cuenta con espacios anchos protegidos por grandes superficies de

transferencia.

Cada panel se encuentra fijo por medio de tubos espaciadores enfriados por agua y

vapor para mantener constantes los espacios.

Un grupo de elementos está formado por tubos de 45 mm. ФE con 1392 mm., entre

centros y solo el tubo exterior es de 50.8 mm. ФE con la misma distancia entre centros.

Cada grupo se suspende del techo a través de un haz colgante formado por varillas y

sellos de corona en la parte de entrada.

El segundo sobrecalentador está localizado entre el primero y el arco que forma la

(49)

Nariz del Hogar

Figura 2.2. Nariz del Hogar.

Está constituido por 37 grupos de elementos (platen) espaciados uniformemente a lo

ancho del hogar. Cada platen es formado por tubos de 48.6 mm. ФE y 348 mm. de

distancia entre centros. Su tipo de arreglo es de dos circuitos verticales.

Cada platen es suspendido del techo a través de un haz colgante por medio de resortes,

varillas y sellos tipo corona. El tercer sobrecalentador se encuentra en la parte superior

del arco que forma la nariz del hogar.

Es constituido por 75 grupos de elementos espaciados uniformemente a lo ancho del

hogar. Cada grupo es formado por tubos de 48.6 mm. ФE y 174 mm. de distancia entre

centros. El sistema de sujeción en éste sobrecalentador es igual al del segundo.

Las partes del sistema del sobrecalentador del generador de vapor, junto con su

nomenclatura y una descripción, se muestran en la Tabla 2.1, el flujo en el

(50)

[image:50.612.112.483.101.665.2]

Tabla 2.1 Descripción de las partes del sistema del sobrecalentador.

CLAVE CANTIDAD MEDIDA D E S C R I P C 1 0 N

S-1 16 141.3 mm ǾE Tuberías de conexión de vapor saturado. S-2 1 219.1 mm ǾE Cabezal de entrada a las paredes Enf. por Vap. S-3 114 50.8 mm ǾE

63.5 mm ǾE

Tubos del techo de la pared enfriada por vapor

s-4 114 50.8 mm ǾE Elementos de la pared posterior Enf. por Vap. S-5 1 355.6 mm ǾE Cabezal tipo "U" de las paredes Enf. por Vap. S-6 2x69 50.8 mm ǾE Elementos de las paredes laterales Enf. por V. S-7 2 241.8 mm ǾE Cabezal de salida de las paredes Enf. por Vap. S-8 4 241.8 mm ǾE Tubería de conexión a la salida de las paredes

enfriadas por vapor

S-9 4 88.9 mm ǾE Tubos de derivación de las paredes Enf. por Vap. s-10 8 219.1 mm ǾE Tubería de entrada al primer Sobrecalentador S-1l 4 355.6 mm ǾE Cabezal de entrada del primer Sobrecalentador S-12 8x40 50.8 mm ǾE

45.0 mm ǾE

Elementos del primer Sobrecalentador

S-13 4 355.6 mm ǾE Cabezal de salida del primer Sobrecalentador S-l4 4 323.9 mm ǾE Tubería de enlace al primer Atemperador S-15 4 323.9 mm ǾE Atemperador primario

S-16 4 323.9 mm ǾE Tubería de enlace salida Atemperador primario S-17 16 355.6 m ǾE Cabezal de entrada segundo Sobrecalentador S-18 37xl0 48.6 m ǾE Elementos del segundo Sobrecalentador S-19 1 406.4 mm ǾE Cabezal de salida del segundo Sobrecalentad. S-20 2 406.4 mm ǾE Tubos de entrada al atemperador secundario S-21 2 406.4 mm ǾE Atemperador secundario

S-22 S-23

2 1

406.4 mm ǾE 406.4 mm ǾE

Tubos de salida del Atemperador secundario Cabezal de entrada tercer Sobrecalentador S-24 75 x 7 48.6 mm ǾE Elementos del tercer Sobrecalentador S-25 1 457.2 mm ǾE Cabezal de salida del tercer Sobrecalentador S-26 8

16

63.5 mm ǾE 54.0 mm ǾE

(51)

[image:51.612.147.462.75.705.2]

(52)

2.1.2 Sistema de Atemperación del Sobrecalentador.

Flujo de Vapor Dentro del Sistema de Atemperación.

El vapor seco saturado, desde el domo fluye sobre el paso posterior de los gases al

cabezal de entrada de las paredes enfriadas por vapor, mediante 16 tubos de conexión.

Este vapor baja por los tubos del techo a la pared posterior, hasta llegar al cabezal "U"

de las paredes enfriadas por vapor.

Después fluye hacia arriba por los tubos que forman las paredes laterales a los cabezales

de salida ubicados en la parte superior; de ahí, a través de cuatro tubos de conexión se

envía al cabezal de entrada del primer sobrecalentador.

El vapor pasa a través de los elementos del primer sobrecalentador, donde se conduce a

los cabezales de salida.

Del cabezal de salida del primer sobrecalentador, se envía al cabezal de entrada del

segundo sobrecalentador por medio de cuatro tuberías de enlace. Entre éstos cabezales

se encuentran los primeros atemperadores del vapor sobrecalentado, como se muestra en

la Figura 2.4.

Después de entrar al cabezal del segundo sobrecalentador, el vapor se conduce por los

elementos al cabezal de salida.

El vapor es enviado del cabezal de salida del segundo sobrecalentador al cabezal de

entrada del tercer sobrecalentador a través de dos tubos de conexión; entre éstos

cabezales se encuentran los segundos atemperadores del vapor sobrecalentado, como se

muestra en la Figura 2.4.

La finalidad de los atemperadores es controlar la temperatura de diseño del vapor a la

(53)

El vapor se conduce por los elementos del tercer sobrecalentador hasta el cabezal de

salida, reduciéndose en éste paso el desbalance de temperatura a la salida.

Finalmente el vapor sobrecalentado se envía de éste cabezal a la turbina, a través de dos

(54)

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Figura 2.4. Líneas de atemperación del sobrecalentador.

S-25 S-24 S-23 S-22 S-21 S-21 S-19 S-18 S-17 S-16 S-15 S-15 S-15 S-15 S-14

S-13 S-13 S-13 S-13

S-12

A LA TURBINA DE

ALTA PRESIÓN

BOMBAS DE

ALIMENTACIÓN

TOBERAS DE FLUJO TRANSMISOR DE FLUJO VÁLVULAS DE PURGA VÁLVULA DE PARO DE LA ATEMPERACIÓN AL

SOBRECALENTADOR

VÁLVULA DE DERIVACIÓN

VÁLVULA DE BLOQUEO

VÁLVULA DE CONTROL DE ATEMPERACIÓN DE

(55)

Descripción de la Posición de los Atemperadores del Sobrecalentador.

Los cuatro atemperadores primarios están instalados en las tuberías de conexión del

cabezal de salida del primer sobrecalentador con el cabezal de entrada del segundo

sobrecalentador.

Los dos atemperadores secundarios están instalados en los enlaces que conectan el

cabezal de salida del segundo sobrecalentador con el cabezal de entrada del tercer

sobrecalentador. El agua en forma de rocío se inyecta en el extremo de entrada de cada

atemperador para hacer posible la reducción de la temperatura de vapor cuando sea

necesario, y mantener la misma a su valor de diseño dentro de los límites de capacidad

de la tobera.

La Figura 2.4, muestra el atemperador del sobrecalentador.

Operación del Atemperador.

Este consiste en la inyección de agua con un alto grado de pureza, directamente en el

tubo principal de vapor o en una cámara mezcladora. El agua se inyecta mediante una

serie de espreas en la garganta del tubo venturi, formando una niebla fina. Esta

rápidamente se vaporiza, mezclándose con el vapor sobrecalentado, para enfriarlo a

continuación.

Estaciones de Control

Una válvula de control, enlazada a una unidad de control automático, regula el flujo de

agua de atemperación que se suministra a cada atemperador, como se puede ver en la

Figura 2.4.

Válvulas de bloqueo están instaladas en las líneas de suministro de agua a las estaciones

de control del atemperador como válvulas de cierre adicionales, para prevenir fugas a