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AUTOMATIZACION DEL SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE COMBUSTIBLE DE UNA TURBINA DE GAS MOVIL DE 25 MW

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(1)

INSTITUTO

POLITÉCNICO

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECANICA Y ELÉCTRICA

“AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE

COMBUSTIBLE DE UNA TURBINA DE GAS MÓVIL DE 25 MW.”

TESIS

QUE PARAOBTENERELTITULO DE

INGENIEROENCONTROLYAUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN

JOSÉ ALBERTO GÓMEZ CRUZ DIEGO RIVERA ZALDIVAR

DANIEL RUÍZ POSADA

ASESORES:

(2)
(3)

AGRADECIMIENTOS

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mi padre José Lucas Gómez López y a mi madre Olivia Cruz Osnaya por el apoyo incondicional y sus consejos que me han brindado a lo largo de mi educación para lograr el cumplimiento de uno de los logros más importantes en mi vida hasta convertirme en una persona de provecho.

A todas aquellas personas que creyeron en mí porque fue un estímulo constante de superación y también a aquellos que no lo hicieron ya que fueron pruebas difíciles que me han ayudado a forjarme como persona de bien.

A todos ellos dedico este trabajo terminal

Gómez Cruz Alberto

Agradezco a mi madre Ma. De los Ángeles Zaldivar Martínez y a mi padre Austreberto Rivera Piña por estar siempre conmigo y brindarme su apoyo incondicional. A mis hermanos que siempre me han acompañado y apoyado.

A todos ellos dedico este trabajo terminal.

Rivera Zaldivar Diego

Agradezco a mis padres Manuela Posada Álvarez y Zeferino Ruiz Ramírez por darme una educación digna y valorada, por estar siempre a mi lado cuando mas lo necesite, por inculcarme valores y principios que me ayudaron a salir adelante y por hacer de mi una persona responsable y de bien, gracias una vez mas.

A todos ellos dedico este trabajo terminal.

Ruiz Posada Daniel

(4)

RELACIÓN DE TABLAS Y FIGURAS

RELACIÓN DE TABLAS No. de

Tabla

Título Pág.

1 Características de los combustibles 20

2 Especificaciones físicas del diesel 22

3 Variación de la eficiencia de acuerdo a la temperatura 31

4 Variación de la eficiencia de acuerdo a la presión 32

5 Los elementos de STC 37

6 Comparación Programa Vs Ecuación 47

7 Equipo y descripción 71

8 Descripción de la computadora industrial 76

9 Condiciones actuales del sistema manual 78

10 Coeficientes de flujo seleccionado 82

11 Configuración Entradas y Salidas 85

12 Cronograma de actividades 89

13 Costos 90

RELACIÓN DE FIGURAS No. de

Figura

Título Pág.

1 Diagrama turbina de gas con recalentador 14

2 Diagrama turbina de gas con enfriador interno 14

3 Diagrama turbina de gas simple 15

4 Diagrama de turbina de gas con regeneración 17

5 Carro de control y carro potencia 26

6 Diagrama esquemático de una turbina de gas móvil 26

7 Comportamiento térmico de la turbina de gas móvil con respecto a la

temperatura ambiente

33

8 Comportamiento térmico de la turbina de gas móvil con respecto a la presión

atmosférica.

33

(5)

RELACIÓN DE TABLAS Y FIGURAS

10 Sistema de transferencia de combustible 36

11 By – pass del STC 38

12 Bombas del STC 39

13 Filtro del STC 39

14 Programa de cálculo de flujo másico 41

15 Gráfica temperatura VS potencia 42

16 Ecuación en Matlab 45

17 Gráfica de perfil temperatura VS potencia 46

18 Esquema secuencial del sistema 50

19 Diagrama de flujo 52

20 Interfaz gráfica 53

21 Programa cálculo de flujo másico 54

22 Declaración de variables globales 55

23 Programación de prueba 60

24 Vínculo RSLinx con visual Basic 61

25 Interfaz de instalación 62

26 Programación de instalación del PLC 63

27 PLC SLC 500 67

28 Procesadores SLC 500 68

29 Configuración del chasis 72

30 Procesador 5/03 72

31 Módulos de entrada digitales tipo 1746 73

32 Módulos de salidas digitales tipo 1746 73

33 Módulos analógicos combinados 74

34 Vista frontal del módulo 1746-NIO4 74

35 RTD 75

36 Válvula esférica típica 81

37 Accionador 83

38 Controlador digital de válvula 83

(6)

NOMENCLATURA

NOMENCLATURA

Representación Significado Unidades

m Flujo másico [kg/s]

Q Calor suministrado en por la cámara de combustión [kJ/kg]

W Trabajo [kJ/kg]

P Potencia [MW]

λ Eficiencia.

T Temperatura [°C]

P Presión [bar]

Π Relación de compresión CTU Coeficiente Térmico Unitario

Cp Capacidad calorífica a presión constante

CPI Poder calorífico Inferior

LETRAS GRIEGAS

m = Flujo másico

λ = Eficiencia .

SUBÍNDICES

ca = compresor de alta presión

cb = compresor de baja presión

ta = turbina de alta presión

tb = turbina de baja presión

cc = cámara de combustión

s = suministrado

a = aíre

ABREVIATURAS

(7)

RESUMEN

RESUMEN

Al lugar que llegue la turbina de gas móvil, debe contar con tanques de almacenamiento

diesel, de donde toma el combustible el sistema de transferencia de combustible (STC) y lo

envía al sistema de suministro de combustible (SSC), el cual lo inyecta a la cámara de

combustión de la turbina de gas, el SSC cuenta con su lógica de control, pero el STC es

manual.

El objetivo de este trabajo terminal es proponer la automatización del STC, para contar

con un sistema de seguridad redundante con el sistema de seguridad establecida en el SSC,

para evitar accidentes.

Al realizarse la instrumentación del STC, se implementan equipos de control acordes al

contexto, de cambiar equipo que era de carácter manual, a equipo que hace funcionar al

STC de manera automática.

Para ello, se obtienen las características y parámetros de funcionamiento que existen en

el equipo actual, para ser programados en un lazo de control automático.

Para lograr la automatización, la válvula de accionamiento manual, que dependen de un

operador en campo, se debe cambiar por una válvula de accionamiento automático, capaz

de interpretar en tiempo real los cambios en las variables manipuladas y llevar acabo

(8)

CONTENIDO

CONTENIDO

RELACIÓN DE TABLAS Y FIGURAS . . . . 3

NOMENCLATURA. . . 5

RESUMEN. . . 6

OBJETIVO. . . .10

JUSTIFICACIÓN. . . .10

ALCANCE. . . .10

INTRODUCCIÓN. . . .11

CAPÍTULO 1. FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA DE

GAS.

1.1PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO. . . .13

1.1.1 Ciclo Brayton. . . . . . . .15

1.1.2 Ciclo de una turbina de gas simplemente con regenerador . .17 1.2 DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIBLE . .20 1.2.1 Características de combustibles . . . . .20

1.2.2 Definición Diesel . . . . . . .21

1.2.3 Propiedades del diesel . . . .22

CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN

SISTEMA

ACTUAL.

2.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA . . . .25

2.2 ANÁLISIS TERMODINÁMICO. . . .27

(9)

CONTENIDO

2.4 FUENTES DE ALIMENTACIÓN HACIA LA TURBINA. . . .35

2.4.1

Redundancia con el sistema de suministro de combustible

. .35 2.5 DESCRIPCIÓN PARCIAL DEL SISTEMA FÍSICO . . . .36

2.5.1 By – pass del STC . . . .38

2.5.2 Bombas . . . .38

2.5.3 Filtro . . . .39

2.6 OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE COMBUSTIBLE . . . .40

CAPITULO

3.

PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ CON EL

PLC SLC 500

3.1 INTRODUCCIÓN A LA COMUNICACIÓN INTERFAZ / PLC . .50 3.1.1 Diagrama de flujo . . . .52

3.1.2 Recepción de datos . . . .53

3.1.3 Envió de datos . . . .54

3.2 ANÁLISIS DE PROGRAMACIÓN . . . .56

3.2.1 Descripción de recepción de datos a visual Basic . . .56

3.2.2 Descripción del envío de datos al PLC desde visual Basic . .57 3.3 PROGRAMACIÓN DEL PLC (SLC-500) . . . . .59

3.4 INTERFAZ A IMPLEMENTAR . . . .62

CAPÍTULO 4. SELECCIÓN

DEL

EQUIPO

.

(10)

CONTENIDO

4.1.2 Inversiones de control . . . .67

4.1.3 Procesadores SLC 500 . . . .67

4.1.4 Módulos E/S . . . .69

4.1.5 Sistema de cableado de E/S . . . .69

4.1.6 Opciones de comunicación . . . .70

4.1.7 Opciones de programación . . . .70

4.2 LISTA DE SELECCIÓN DEL EQUIPO . . . . .71

4.2.1 Configuración de chasis . . . .72

4.2.2 Procesador SLC 5/03 . . . .72

4.2.3 Modulo de entradas digitales 8 puntos 1746-IA8 y modulo de salidas digitales de 8 puntos 1746-OA8 . . . .73

4.2.4 Entradas-salidas analógicas de 2 entradas y 2 salidas 1746-NIO41 . . . .74

4.2.5 Transmisor de temperatura . . . .75

4.2.6 Computadora industrial . . . .76

4.3 DIMENSIONAMIENTO VÁLVULA. DE CONTROL . . .77

4.3.1.Válvula de control de alta presión . . . . .79

4.3.2 Accionadores neumáticos de diafragma . . . .83

4.3.3 Controlador digital de válvulaFIELD VUE . . . .83

4.3.4 Posicionadores de válvula . . . .84

4.4 CONFIGURACIÓN DE ENTRADAS Y SALIDAS . . . .85

CAPÍTULO 5. COSTOS

5.1 COSTO – BENEFICIO . . . .88

CONCLUSIONES . . . .92

GLOSARIO . . . .94

(11)

OBJETIVO, JUSTIFICACIÓN, ALCANCE

OBJETIVO

Realizar la automatización del sistema de transferencia de combustible hacia una turbina de

gas móvil de 25 MW.

JUSTIFICACIÓN

El carácter manual que se presenta en el accionar del sistema de transferencia de combustible

implica tiempos muertos, así como influir en la seguridad del equipo y reprimir factores de

riesgo que se presentan en el sistema manual por la intervención de operarios.

ALCANCE

El convenio que se presenta entre el IPN ( Instituto Politécnico Nacional ) y CFE ( Comisión

Federal de Electricidad ) redacta la necesidad de automatizar la transferencia de combustible

en su componente manual que en este caso es una válvula de corte, en donde se sustituirá por

una válvula automática regulada por un PLC, de esta manera se garantiza de manera eficaz el

envío de combustible a el SSC ( Sistema de Suministro de Combustible ).

Cabe aclarar que con el presente trabajo terminal se realizará la automatización del sistema de

transferencia de combustible, sin tomar en cuenta el control del mismo ya que las

características y equipo de control están implícitas dentro del sistema de suministro de

combustible, esto para contar con un mayor grado de redundancia en lo que concierne a

seguridad de los operarios en primer término y en segundo hacia el equipo.

De esta manera se pretende llegar a la realización de un medio de visualización como lo es

una interfaz con la que se pueden observar las condiciones de operación bajo las que se está

presentando el funcionamiento de la turbina, estas condiciones son las variables temperatura

comprendida en el rango de -40 a 50 ºC y potencia entre el rango de 2 a 25 MW. Estas

(12)

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

Una turbina de gas móvil es aquella que puede trasladarse de un lugar a otro para su

utilización. Las turbinas de gas móviles están constituidas de dos traileres, uno llamado carro

potencia y el otro llamado carro control. En el carro potencia se localiza el pleno de succión, la

turbina de gas, el sistema de suministro de combustible (SSC) la chimenea de los gases de

escape y el generador eléctrico. En el carro control se localizan los tableros de control y el

motor de arranque diesel.

El presente trabajo se realiza con el fin de automatizar el sistema de transferencia de

combustible (STC), que toma el combustible del tanque de almacenamiento y lo lleva al SSC.

Esto con el fin de tener un ahorro de tiempo en el proceso, dar una mayor seguridad tanto al

personal como al equipo.

Las funciones de control que se realizan en STC son de carácter manual. Esto es la

maniobra de los elementos como el encendido de la bomba y la regulación de las

válvulas que controlan el flujo de combustible que se envía a la cámara de

combustión necesitan la intervención de un operador.

Por lo que la aplicación de características automáticas representa mayores beneficios

en la parte operativa como mejor funcionabilidad y monitoreo del flujo combustible

que se envía hacia la cámara de combustión, mayor seguridad ya que se puede

(13)

CAPITULO 1

FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA DE GAS

En este capítulo se explica el principio de funcionamiento de las turbinas de

gas así como sus características y las condiciones de desempeño para las

que estas están diseñadas. Se proporciona la teoría necesaria para la

comprensión de los ciclos termodinámicos bajo las que se operan las turbinas

en general. A demás de la descripción y características del combustible que

utilizan como fuente de energía estas maquinas.

(14)

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

1.1 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un

quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del

ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo

condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite

expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de

gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa

comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un

dispositivo mecánico, etc.

Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El

regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de

escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es

utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este

ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp.

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar

el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más

potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los

gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las

temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los

avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina

de este tipo es la General Electric LM1600 versión marina.

Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con

(15)

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Figura 1. Diagrama de turbina de gas con recalentador

(16)

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

[image:16.595.95.512.135.351.2]

1.1.1 Ciclo de BRAYTON

Figura 3. Diagrama de turbina de gas simple

El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo

abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna se puede

observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerrado teórico de

una turbina de gas simple.

En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, la turbina, el aire y

combustible en el ciclo abierto Brayton.

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.

(17)

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Sin embargo notamos que,

( 2 )

( 3 )

( 4 )

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una función de la relación

isentrópica de presión. El rendimiento aumenta con la relación de presión, ya que al ir

aumentando la relación de presión, se cambiará el ciclo de 1-2-3-4-1 a 1-2’-3’-4-1. El último

ciclo tiene mayor suministro de calor y la misma cantidad de calor cedido, que el ciclo

original, y por tanto, tiene mayor rendimiento; advierta, sin embargo, que el último ciclo tiene

una temperatura máxima (T3’) más alta que la del ciclo (T3). En la turbina de gas real, la

temperatura máxima del gas que entra a la turbina es determinada por consideraciones

metalúrgicas. Por lo tanto si fijamos la temperatura T3 y aumentamos la relación de presión, el

ciclo resultante es 1-2’-3’’-4’’-1. Este ciclo tendrá un rendimiento más alto que el del ciclo

original, pero, de esta manera, cambia el trabajo por kilogramo de sustancia de trabajo.

Con el advenimiento de los reactores nucleares, el ciclo cerrado de la turbina de gas ha

cobrado gran importancia. El calor se transmite ya sea directamente o a través de un segundo

fluido, del combustible en el reactor nuclear a la sustancia de trabajo en la turbina de gas; el

calor es cedido de la sustancia de trabajo al medio exterior.

(18)

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

rendimientos de l compresor y de la turbina están definidos en relación a los procesos

isentrópicos. Los rendimientos son los siguientes:

( 5 )

( 6 )

1.1.2 Ciclo de una turbina de gas simplemente con regenerador

El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede mejorarse con la adición de un

regenerador. Se puede observar el ciclo en la gráfica siguiente:

.

Figura 4. Diagrama de turbina de gas con regeneración.

Observe como el intercambiador de calor utiliza la energía en forma de calor de los gases de

(19)

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Note que el ciclo 1-2x3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado

4, es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto puede

transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresor; si

esto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido como regenerador,

la temperatura de los gases que salen del regenerador Tx’ pueden tener en el caso ideal, una

temperatura igual a T4, es decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En este

caso la transmisión de calor de la fuente externa sólo es necesaria para elevar la temperatura

desde Tx hasta T3 y esta transmisión de calor está representada pro el área x-3-d-b-x; el área

y-1-a-c-y y representa el calor cedido.

La influencia de la relación de presión en el ciclo simple de una turbina de gas con

regenerador, se ve al considerar el ciclo 1-2’-3’-4-1; en este ciclo, la temperatura de los gases

de salida de la turbina es exactamente igual a la temperatura de los gases que salen del

compresor; por lo tanto, aquí no hay posibilidad de utilizar un regenerador. Esto puede verse

mejor al determinar el rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador.

El rendimiento de este ciclo con regeneración se encuentra como sigue, donde los estados son:

( 7 )

( 8 )

( 9 )

Pero para el regenerador ideal, T4 = Tx y por lo tanto qH = wt; de donde,

(20)

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Vemos, así, que para el ciclo ideal con regeneración el rendimiento térmico depende no sólo

de la relación de presión, sino también de la relación de la mínima a la máxima temperaturas.

También notamos que, en contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al

aumentar la relación de presión. El rendimiento térmico contra la relación de presión, para este

ciclo.

( 12 )

La efectividad o rendimiento de un regenerador está dada por el término rendimiento del

regenerador; El estado x representa a los gases de alta presión que salen del regenerador. En el

regenerador ideal habría una diferencia infinitesimal de temperaturas entre los dos flujos y los

de alta presión saldrían del regenerador a la temperatura Tx’ pero T3’ = T4. En el regenerador

real que debe operar a una diferencia de temperaturas finita Tx y, por lo tanto, la temperatura

real que sale del regenerador, es menor que Tx’. El rendimiento del regenerador se define

como,

( 13 )

Si suponemos el calor que el calor específico es constante, el rendimiento del regenerador

también está dado por la relación

( 14 )

Es bueno señalar que se puede alcanzar un rendimiento alto usando un regenerador con una

gran área de transmisión de calor; sin embargo, esto también incrementa el descenso de

presión, que representa una pérdida, y tanto el descenso de presión como el rendimiento del

regenerador, deben considerarse para determinar que regenerador dará el máximo rendimiento

térmico del ciclo. Desde el punto de vista económico, el costo del regenerador debe tomarse

(21)

DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIBLE

1.2 DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIBLE

Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se cambia o transforma su

estructura química. Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una forma

utilizable (por ser una reacción química, se conoce como energía química). En general se trata

de sustancias susceptibles de quemarse, pero hay excepciones que se explican a continuación.

1.2.1 Características de combustibles

La principal característica de un combustible es su poder calorífico, que es el calor

desprendido por la combustión completa de una unidad de masa (kilogramo) de combustible.

Este calor o poder calorífico, también llamado capacidad calorífica, se mide en Joule o julio,

caloría o BTU, dependiendo del sistema de unidades.

Tabla1. Características de los combustibles

Combustible MJ/kg Kcal./kg

Gas natural 53,6 12 800

Acetileno 48,55 11 600

Propano

Gasolina

Butano

46,0 11 000

Gasoil 42,7 10 200

Fueloil 40,2 9 600

Antracita 34,7 8 300

Coque 32,6 7 800

Gas de alumbrado 29,3 7 000

Alcohol de 95º 28,2 6 740

Lignito 20,0 4 800

(22)

DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIBLE

1.2.2 Definición Diesel (GASÓLEO)

La turbina de gas móvil utiliza diesel como elemento generador de energía.

El gasoil o gasóleo es una mezcla de hidrocarburos y una de las fracciones que resultan de la

destilación del petróleo que es usado principalmente como combustible en motores y como

calefactor.

Obtención

El gasoil se obtiene mediante destilación fraccionada del petróleo crudo. Es la fracción que

hierve por encima de los 320ºC aproximadamente.

El gasóleo, también denominado gasoil o diésel, es un líquido de color blancuzco o verdoso y

de densidad sobre 850 kilogramos por metro cúbico, compuesto fundamentalmente por

parafinas y utilizado principalmente como combustible en motores diésel y en calefacción.

Cuando es obtenido de la destilación del petróleo se denomina petrodiésel y cuando es

obtenido a partir de aceites vegetales se denomina biodiésel.

Propiedades como combustible

Algunas propiedades físicas, tales como densidad y viscosidad, vienen determinadas por su

compleja composición química. El peso molecular elevado de los hidrocarburos constituyentes

hace que tanto la densidad como la viscosidad sean muy elevadas. Normalmente, la densidad

del fuel es del orden 0.96-0.99 g/cm3 y la viscosidad a temperatura ambiente resulta del orden

de 300-800 cStokes (1 stoke=1 cm2/m). Ambas propiedades, y particularmente la viscosidad,

se modifican con la temperatura ambiente. La viscosidad aumenta fuertemente con el descenso

de la temperatura. Basta señalar el hecho de que la viscosidad del fuel vertido por el Prestige a

10 °C sobre la superficie del agua prácticamente se duplica cuando la temperatura del agua es

de 2.4 °C, que es la temperatura estimada de la masa del agua en la zona donde se encuentran

los fragmentos hundidos del petrolero.

Este tipo de fuel es poco volátil debido al mayor contenido de compuestos con peso molecular

elevado, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos. Esto le confiere una toxicidad aguda

a corto plazo menor que la de otro tipo de fuels que tienen mayor contenido en hidrocarburos

(23)

DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIBLE

1.2.3 Propiedades del diesel

Un gasoil esta compuesto principalmente por compuestos parafínicos, naftalenicos y

[image:23.595.84.513.226.640.2]

aromáticos. El número de carbonos es bastante fijo y se encuentra entre C10 y C22.

(24)

DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIBLE

Biodiésel

Se trata de un combustible que se obtiene por la transesterificación de trigliceridos (aceite). El

producto obtenido es muy similar al gasóleo obtenido del petróleo (también llamado

petrodiésel) y puede usarse en motores de ciclo diésel, aunque algunos motores requieren

modificaciones.

Ventajas

El biodiesel no contabiliza en la producción de anhídrido carbónico porque se supone que las

plantas absorbieron ese gas en su crecimiento, así que, por ello, ayuda a contener la emisión de

gases de efecto invernadero. En realidad la cuenta no es tan sencilla, pues el metanol que se

emplea en su fabricación se suele obtener del petróleo, por lo que el balance de CO2 no es

nulo. Se podría obtener metanol de la madera, pero resulta más costoso.

(25)

CAPITULO 2

MODELADO ENERGÉTICO DE LA TURBINA

DE GAS MÓVIL

(26)

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

2.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

En la Figura 6 se presenta el diagrama esquemático de una turbina de gas móvil, unidad que

trabaja como un ciclo Joule –Brayton de 3 ejes.

La turbina de gas está integrada por el generador de gases y la turbina libre. El generador de

gases se constituye por el cono de entrada, el compresor de baja presión que se representa del

estado térmico 1 al 2, el compresor de alta presión que se representa del estado térmico 2 al 3,

la cámara de combustión estados térmicos 3 al 4, la turbina de alta presión estados térmicos 4

al 5 y la turbina de baja presión estados térmicos 5 al 6.

En el punto 6 se tiene 6 juegos de termopares que promediados proporcionan la temperatura

de los gases a la salida del generador de gases, por lo que los datos de entrada son T1 =

temperatura ambiente, T6 = temperatura de entrada a la turbina libre, P1 = Presión ambiental,

las relaciones de compresión y eficiencias de trabajo de los compresores de alta y de baja

presión.

La turbina de alta presión está montada sobre el mismo eje del compresor de alta presión y el

trabajo que realice la turbina de alta presión debe ser igual al que consume el compresor de

alta presión. La turbina de baja presión está montada sobre el mismo eje del compresor de baja

presión, dicho eje se encuentra dentro del eje de la turbina – compresor de alta presión, el

trabajo que realiza la turbina de baja presión debe ser igual al trabajo que consume el

compresor de baja presión.

Después de que el flujo sale del generador de gases, los gases de combustión todavía tienen

energía para mover a la turbina libre, la cual esta conectada al generador eléctrico, entonces

la potencia que produzca la turbina libre debe ser igual a la que se necesite generar en el

(27)
[image:27.595.91.514.419.653.2]

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

Figura 5. Carro de control y carro potencia

Figura 6. Diagrama esquemático de una turbina de gas móvil.

7 5 4 3 2 Cámara de combustión Compresor de baja presión Compresor de alta presión Turbina de

alta presión Turbina de baja presión

Generador de gases

Turbina libre

G E

1

(28)

ANÁLISIS TERMODINÁMICO

2.2 ANÁLISIS TERMODINÁMICO

La eficiencia del compresor de baja presión es el trabajo ideal entre el trabajo real.

1 2 ' 2' 1

1 2 2 1

(

)

(

)

ideal cb

real

w

Cp

T

T

w

Cp

T

T

λ

=

=

( 15 )

Despejando el trabajo real del compresor de baja presión

1

real ideal

cb

w

w

λ

=

( 16 )

2' 1 2' 2' 1 1 2' 1

1

1 1

( ) 1

cb

cb cb

T

w Cp T T Cp T

T

λ − λ −

⎛ ⎞

= − =

⎝ ⎠ ( 17 )

Considerando que los gases de combustión y el aire se comportan como gases ideales y de

acuerdo al proceso politrópico.

2' 2' 1 1

2' 1

P V PV

T = T

2' 2'

1 1

V T

V = T

1/ 1 1 2 2 k P P P P ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ( 18 )

2' 2' 1 1

P V k

=

PV k

1/

2' 1 2

1 2' 1

k

T P P

T P P

⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

La relación de compresión Π del compresor de baja presión es:

2' 1 1 2 k V P V P ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 1/ 2' 1 1 2 k V P V P ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 1 1/ 2' 2' 1 1 k cb T P T P − ⎛ ⎞ = = Π

⎝ ⎠ ( 19 )

(29)

ANÁLISIS TERMODINÁMICO

Finalmente el trabajo de compresión del compresor de baja presión es:

(

)

1 2' 1

1 ñ cb cb Cp T w λ−

= Π − ( 20 )

De manera análoga el trabajo de compresión del compresor de alta presión es:

(

)

2 3' 2 3' 2 3' 2 2 3' 3' 2

2

1

( ) 1 ñ 1

ca ca

ca ca ca

Cp T T Cp T

w Cp T T

T

λ − λ− λ−

⎛ ⎞

= − = − = Π −

⎝ ⎠ ( 21 )

Por definición wcb =Cp1 2 (T2T1) y para calcular la temperatura de salida del compresor de

baja presión se tiene:

2 1 1 2 cb w T T Cp

= + ( 22 )

El calor suministrado por la cámara de combustión es:

3 4 4 3

1

( )

s cc

Q Cp T T

λ −

= − ( 23 )

La temperatura de salida del compresor de alta presión es:

2 3( 3 2) ca

w =CpTT

3 2 2 3 ca w T T Cp

= + ( 24 )

Como el trabajo del compresor de alta presión es exclusivamente para mover la turbina de alta

presión y el trabajo del compresor de baja presión es también igual al trabajo de la turbina de

(30)

ANÁLISIS TERMODINÁMICO

5 6( 5 6) tb

w =CpTT ( 25 )

Como se conoce la temperatura de salida del generador de gases, la temperatura de salida de la

turbina de alta presión es:

5 6 5 6 tb w T T Cp

= + ( 26 )

4 5( 4 5) ta

w =Cp TT ( 27 )

y la temperatura de salida de la cámara de combustión es:

4 5 4 5 ta w T T Cp

= + ( 28 )

El trabajo de la turbina libre es:

6 7 '( 6 7 ') tl tl

wCpTT ( 29 )

7 6 7 ' 6

6

1

ñ

tl tl

P

w Cp T

P λ − ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ = − ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ ⎠

( 30 )

El trabajo útil es:

( )

util T C

util ta tb ta cb ca

util tl

w w w

w w w w w w

w w

= −

= − + − +

=

(31)

ANÁLISIS TERMODINÁMICO

Al dividir el trabajo útil obtenido entre el calor real suministrado se obtiene el la eficiencia

térmica neta, que es uno de los parámetros que determinan el tipo de turbina de gas usada en la

repotenciación. R s R N N ) (q ) (w

η = ( 32 )

Con la eficiencia térmica se puede calcular el consumo térmico unitario de acuerdo a la

siguiente ecuación.

th

/η 3600

CTU= ( 33 )

El flujo másico de los gases de escape es un parámetro indispensable para calcular el calor

que se puede recuperar en los sistemas repotenciados, este parámetro se calcula con la

siguiente ecuación.

W Pot mN

0

= ( 34 )

Finalmente con el poder calorífico y el flujo másico de los gases de escape, se pueden

calcular los flujos másicos de aire que entra al generador de gases como del combustible

utilizado, de acuerdo a las siguientes ecuaciones.

PCI q q m m s s N 0 com 0 +

= ( 35 )

PCI q PCI m m s N 0 a 0 +

(32)

RESULTADOS

2.3 RESULTADOS

La Tabla 3 muestra los resultados de eficiencia de acuerdo al cambio de temperatura, para una

[image:32.595.83.527.231.639.2]

potencia de 25MW

Tabla 3. Variación de la eficiencia de acuerdo a la temperatura

Temperatura ambiente (°C) Trabajo útil (kJ/kg) Calor suministrado (kJ/kg) Eficiencia (%)

Flujo másico de

combustible

(kg/s)

-15 240.48 713.78 33.69 1.74

-10 232.68 701.04 33.19 1.77

-5 224.89 688.29 32.67 1.80

0 217.11 675.56 32.13 1.83

5 209.34 666.82 31.58 1.86

10 201.58 650.09 31 1.89

15 193.83 637.37 30.41 1.93

20 186.1 624.64 29.79 1.97

25 178.37 611.93 29.14 2.02

30 170.65 599.21 28.47 2.07

35 169.94 586.50 27.78 2.12

40 155.24 573.79 27.05 2.18

45 147.55 561.09 26.29 2.24

(33)

RESULTADOS

La Tabla 4 muestra los resultados de eficiencia de acuerdo al cambio de presión, para una

[image:33.595.81.518.203.562.2]

potencia de 25MW

Tabla 4. Variación de la eficiencia de acuerdo a la presión

Presión ambiente (bar) Trabajo útil (kJ/kg) Calor suministrado (kJ/kg) Eficiencia (%)

Flujo másico de

combustible

(kg/s)

1 200.21 637.37 31.41 1.87

0.98 198.65 637.37 31.16 1.89

0.96 197.07 637.37 30.91 1.90

0.94 195.46 637.37 30.66 1.92

0.92 193.83 637.37 30.41 1.93

0.90 192.19 637.37 30.15 1.95

0.88 190.52 637.37 29.89 1.97

0.86 188.82 637.37 29.62 1.98

0.84 187.11 637.37 29.35 2

0.82 185.37 637.37 29.08 2.02

0.80 183.16 637.37 28.80 2.04

0.78 181.82 637.37 28.52 2.06

0.76 180 637.37 28.24 2.08

0.74 178.66 637.37 27.95 2.10

La Figura 7 muestra el comportamiento del trabajo útil, el calor suministrado y eficiencia de la

turbina de gas móvil respecto de la temperatura ambiente. En ella se observa que a mayor

temperatura ambiente, el trabajo útil disminuye en menor proporción que el calor

(34)

RESULTADOS

Figura 7. Comportamiento térmico de la turbina de gas móvil con respecto a la temperatura ambiente. a) Trabajo útil y calor suministrado, b) eficiencia térmica

La Figura 8 muestra el comportamiento del trabajo útil, el calor suministrado y eficiencia de la

turbina de gas móvil respecto de la presión ambiental. En ella se observa que a mayor presión

atmosférica el trabajo útil aumenta y como el calor suministrado se mantiene constante, la

eficiencia térmica del ciclo también aumenta.

Figura 8. Comportamiento térmico de la turbina de gas móvil con respecto a la presión atmosférica. a) Trabajo útil y calor suministrado, b) eficiencia térmica

0 100 200 300 400 500 600 700 800

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Temperatura ambiente (°C)

kJ/kg

Trabajo útil Calor suministrado

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Temperatura ambiente (°C)

Eficiencia (%) 0 100 200 300 400 500 600 700

0.7 0.76 0.82 0.88 0.94 1

Presión Atmosférica (bar)

kJ/kg

Trabajo útil Calor suministrado

27.5 28 28.5 29 29.5 30 30.5 31 31.5 32

0.7 0.76 0.82 0.88 0.94 1

Presión atmosférica (bar)

(35)

RESULTADOS

Con las gráficas en las figuras 7 y 8 se visualiza el comportamiento que se tiene cuando

ocurre una variación de la temperatura y los efectos de esta sobre el cálculo del flujo

másico que debe abastecer a la cámara de combustión, ya que dependiendo el valor de la

temperatura se determinara que tanto flujo másico es necesario para producir la potencia

requerida con rangos de temperatura de -40 a 50 °C y potencia 25 MW.

Cabe mencionar que todos cálculos posibles de flujo másico fueron realizados en el programa

de análisis termodinámico para efectos de muestra se consideró tablas y gráficas de un solo

[image:35.595.90.519.287.702.2]
(36)

DESCRIPCIÓN PARCIAL DEL SISTEMA FÍSICO

2.4 FUENTES DE ALIMENTACIÓN HACIA LA TURBINA

Las turbinas de gas móviles inicialmente fueron diseñadas para funcionar con gas natural

como fuente de alimentación, solo que al realizar los traslado a puntos donde se requerían, se

presento la problemática del abasto del gas. Esto es que en ocasiones no se contaba con el

combustible necesario para la producción de energía requerida.

Por lo cual se considero y se llevo acabo la propuesta de implementar un sistema de

transferencia de combustible en conjunto con un sistema de suministro de combustible. Estos

sistemas están diseñados especialmente para realizar su operación con combustible líquido en

específico diesel. Sin quedar descartada la opción del gas solo que para utilizar gas se deben

de hacer ciertos ajustes al suministro de transferencia, ajustes como la conexión con el otro

sistema que maneja gas, todo esto va al punto de que no podemos usar una bomba encargada

para el envío de diesel como es realizado actualmente destinada al envío de gas.

Con la mención anterior debemos comprender que este sistema está diseñado únicamente para

operar con diesel y es en el que se enfoca el trabajo terminal.

2.4.1

Redundancia con el sistema de suministro de combustible

La turbina de gas esta integrada por varios sistemas que desarrollan su operación, algunos de

estos son el sistema de suministro de combustible, sistema de lubricación, sistema de control

de velocidad y el que nos compete en el trabajo presente el sistema de transferencia de

combustible.

El sistema de inicio es el sistema de transferencia de combustible, este sistema cuenta con

limitantes, esta limitante es representada por la válvula de corte manual con la que se lleva

acabo la regulación en el envío de combustible, cabe mencionar que el sistema posterior que

es el sistema de suministro de combustible ya cuenta con un control, este control esta basado

en cálculos termodinámicos que determinan la cantidad de combustible que debe ingresar a la

cámara de combustión, y establecer las condiciones adecuadas para una combustión que

(37)

DESCRIPCIÓN PARCIAL DEL SISTEMA FÍSICO

De esta manera la cantidad de flujo másico se regula de manera idónea, en caso de que llegase

a fallar el sistema de suministro de combustible, está respaldado por el de transferencia de

combustible.

2.5 DESCRIPCIÓN PARCIAL DEL SISTEMA FÍSICO

La turbina de gas móvil puede quemar combustible líquido o gaseoso, pero el que

generalmente utilizan es diesel. En la Figura 10 se muestran el STC, que se ubica entre el

[image:37.595.87.526.316.575.2]

tanque de almacenamiento diesel y la turbina de gas móvil.

(38)

DESCRIPCIÓN PARCIAL DEL SISTEMA FÍSICO

Tabla 5. Los elementos de STC

1.- Válvula de corte manual.

6.- Electrobomba de CA

2.- Válvula de retención.

7.- Electrobomba de CC

3.- Purgador

8.-

Filtro

tipo

Winslow.

(Secundario)

4.-

Válvula de fuego

9.-

Filtro primario

(39)

DESCRIPCIÓN PARCIAL DEL SISTEMA FÍSICO

2.5.1 By – pass del STC

La Figura 11 muestra el by – pass del STC, el cual sirve para cuando un filtro primario (9) se

tapa, entonces el combustible pasa por el otro filtro primario (9), lo que permite cambiar el

filtro sucio, cerrando y abriendo las respectivas válvulas de corte manual (1).

Los Filtros primarios, son gemelos, con 18 elementos para 10 micras de papel con malla

metálica, con tubería de 2”, válvulas para by-pass la operación normal es individual. También

se tiene un contador de litros con dos escalas, una de operación diaria y otra acumulada.

Figura 11. By – pass del STC

2.5.2 Bombas

Las válvulas de retención, de purga y de fuego, Así como las bombas del STC están montadas

sobre el carro control, como se muestra en la Figura 12, Ambas bombas de combustible, se

conectan en derivación, a través de un orificio de contorneo, para protegerlas de

recalentamiento. Una de las bombas es movida por un motor de CC de 1,5 HP y la otra, por un

motor de CA de 5HP. Esta última se usa en condiciones normales y la primera entra en

servicio durante el arranque o cuando no hay energía disponible en CA, la electro bomba de

(40)

DESCRIPCIÓN PARCIAL DEL SISTEMA FÍSICO

Figura 12. Bombas del STC

A continuación de las bombas, esta la válvula de corte manual (1), que es la que se cambiará a

una válvula con control automático.

2.5.3 Filtro

Posteriormente hay un filtro separador, marca Winslow, de 5 micrones 50 gpm, con drenaje de

agua y vaso de vidrio transparente; hay una válvula reguladora de presión, medidores

diferenciales de presión y un sistema automático de evacuación de aire.

Finalmente el STC tiene Tubería de entrada de alimentación de combustible diesel con

válvulas de corte rápido de 2”, (duplex) ver Figura 13, que van a filtros de segunda etapa y

Tubería de salida a carro potencia con manguera con conexión rápida, de mismo diámetro.

(41)

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

2.6 OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA DE

TRANSFERENCIA DE COMBUSTIBLE

Para obtener el modelo matemático que a continuación se presenta, se inicio con un modelo

matemático ya existente en el cual se realiza el análisis termodinámico de la turbina para esto

se manejan demasiadas variables y constantes, principalmente de temperatura y de presión.

En la representación de la figura 9, en donde se ingresan los datos de temperatura ambiente y

potencia también y como nota importante mencionar que todos los cálculos se realizaron

con la consideración de presión con valor constante ya que se toma la mayor presión a la

que puede trabajar la turbina que es 1 Bar de aquí que las variaciones se consideren

despreciables.

Para un uso mas eficiente de este modelo se realizó mediante programación en VISUAL

BASIC y el código es el siguiente .además, se da la representación en la figura 9, en donde

se ingresan los datos de temperatura ambiente y potencia y como nota importante mencionar

que todos los cálculos se realizaron con la consideración de presión con valor constante

ya que se toma la mayor presión a la que puede trabajar la turbina que es 1 Bar de aquí que las

variaciones se consideren despreciables.

Para obtener la ecuación matemática que a continuación se presenta, se inicio con un modelo

matemático ya existente en el cual se manejan demasiadas variables y constantes,

principalmente de temperatura y de presión. Para un uso mas eficiente de este modelo se

realizó mediante programación en VISUAL BASIC y el código es el siguiente .además, se da

la representación en la figura 14, en donde se ingresan los datos de temperatura ambiente y

potencia también y como nota importante mencionar que todos los cálculos se realizaron

con la consideración de presión con valor constante ya que se toma la mayor presión a la

que puede trabajar la turbina que es 1 Bar de aquí que las variaciones se consideren

(42)

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

Figura 14. Programa de calculo de flujo másico

El primer paso fue determinar los rangos entre los cuales la turbina de gas móvil es capaz de

operar.

Se considera que la turbina comienza su ciclo de funcionamiento pleno a 5 MW, por lo que se

llegó a la conclusión de tomar un rango sobrado a este y se tomó como 2 MW el principio de

operación de la turbina; además se tomó la consideración del lugar o ambiente en el que pueda

operar la turbina, por lo cual se tomó un rango de temperatura que va de -40ºC hasta 50ºC,

esto teniendo en cuenta que la turbina debe de operar en ambientes extremos de calor y

(43)

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

Tomando en cuenta lo anterior lo primero fue obtener todos los resultados posibles variando la

temperatura de -40ºC a 50ºC de grado en grado y la potencia requerida en el intervalo de 25

MW de 1 en 1 MW. Mediante un programa hecho en Matlab obtuvimos la curva de respuesta

del sistema que como se puede observar en la siguiente figura es considerada como un plano.

Donde “z” representa el valor de la potencia en el eje “x” y que va de 2 a 32 MW , T es la

temperatura que va desde -40ºC hasta 50 ºC, y Fp son los valores para cada una de las

combinaciones de las dos variables anteriores.

Con esto tenemos la gráfica del sistema que es la siguiente:

[image:43.595.97.503.321.564.2]

.

Figura 15. Grafica temperatura VS potencia

A partir de la respuesta obtenida que en este caso es considerado como un plano se procede a

obtener un modelo matemático que represente el sistema, esto es que al ingresar el valor de la

temperatura y lo potencia eléctrica requerida obtengamos el flujo másico necesario para la

(44)

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

Dados tres puntos del plano.

P= ( x, y, z )

Donde:

x = Potencia eléctrica ( MW)

y = Temperatura ambiente ( °C )

z = Flujo másico de combustible ( Kg/s )

Se proponen tres puntos arbitrariamente que estén dentro del plano:

P1= ( 32, 50, 2.5416 )

P2= ( 2, 50, 0.17967)

P3= ( 20, 10, 1.60617)

Después se obtiene los valores de los vectores unitarios U y V tomando en cuenta que P2 es el

punto inicial.

Entonces tenemos que U = : ( 37 )

(32, 50, 2.5416) - (2, 50, 0.17967) = (30 i, 0 j, 2.36193 k)

y que V = : ( 38 )

(20, 10, 1.60617) - (2, 50, 0.17967) = (18 i, -40j, 1.4265 k)

Entonces:

U= (¨30 i, 0 j, 2.36193 k)

(45)

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

Realizando el producto cruz de U x V tenemos:

Donde n es el vector normal al plano (vector perpendicular al plano).

El plano que pasa por el punto (2, 50, 0.17967) y cuyo vector normal es

tiene como ecuación general:

94.4772 ( x – 2 ) – 0.28026 ( y – 50 ) -1200 (z – 0.17967 )

Simplificando e igualando la ecuación a cero tenemos:

94.4772 x - 0.28026 y – 1200 z + 163.48296 = 0

Despejando a z,

z = (94.4772 x - 0.28026 y + 163.48296) / 1200

Tomando en cuenta que la ecuación se obtiene de datos obtenidos del programa, los cuales son

flujo másico del combustible, temperatura ambiente y la potencia generada por la turbina, la

reescribimos de la siguiente forma:

m = (94.4772 P - 0.28026 T + 163.48296) / 1200 ( 39 )

Donde:

(46)

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

Del modelo matemático anterior se formuló un programa en Matlab con el cual podemos

obtener valores de flujo másico a una determinada temperatura, al igual que a un determinado

nivel de potencia (MW) considerando que todas las variables que intervienen desde el primer

modelo ya están implícitas dentro de este segundo modelo matemático simplificado.

Como ejemplo tenemos el siguiente cálculo:

[image:46.595.83.521.245.520.2]

Figura 16. Ecuación en Matlab

Este último tema del capítulo 2 es tomado como una propuesta que sirve de base para el

desarrollo de la interfaz que se implementará para la automatización del sistema de

transferencia de combustible que esta descrita en el siguiente capítulo. Se toma como

propuesta ya que después de realizar una serie de pruebas se determinó que existen algunas

variaciones con los valores de flujo másico que se obtienen con el programa de cálculo de

flujo másico.

Para visualizar lo anterior tenemos la figura 17 solo que esta vez se observa desde un ángulo

(47)
[image:47.595.103.508.206.488.2]

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

Figura 17. Gráfica del perfil temperatura VS potencia

Podemos ver en esta figura que en los dos extremos se tienen variaciones que no permiten

hacer la consideración de un plano y por consiguiente no se obtiene una ecuación exacta de la

(48)
[image:48.595.95.516.122.730.2]

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

Tabla 6. Comparación Programa Vs Ecuación

FLUJO MÁSICO Kg/s

(PROGRAMA)

FLUJO MÁSICO Kg/s (ECUACIÓN DEL PLANO)

5 MW, -40ºC 0.42006 0.475439

5 MW, 50ºC 0.44004 0.454419

6 MW, -40ºC 0.50034 0.554170

6 MW, 50ºC 0.52478 0.533150

7 MW, -40ºC 0.57967 0.632901

7 MW, 50ºC 0.60862 0.611881

8 MW, -40ºC 0.65815 0.711632

8 MW, 50ºC 0.69163 0.690612

9 MW, -40ºC 0.73584 0.790363

9 MW, 50ºC 0.77389 0.769343

10 MW, -40ºC 0.81284 0.869094

10 MW, 50ºC 0.85543 0.848074

11 MW, -40ºC 0.8892 0.947825

11 MW, 50ºC 0.93632 0.926805

12 MW, -40ºC 0.96498 1.026556

12 MW, 50ºC 1.01661 1.005536

13 MW, -40ºC 1.04023 1.105287

13 MW, 50ºC 1.09632 1.084267

14 MW, -40ºC 1.115 1.184018

14 MW, 50ºC 1.17551 1.162998

15MW, -40ºC 1.18934 1.262749

15MW, 50ºC 1.25422 1.241729

18 MW, -40ºC 1.41009 1.498942

18 MW, 50ºC 1.48771 1.477922

20 MW, -40ºC 1.55568 1.656404

20 MW, 50ºC 1.64147 1.635384

23 MW, -40ºC 1.7722 1.892597

23 MW, 50ºC 1.86972 1.871577

25MW, -40ºC 1.91552 2.050059

(49)

OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DEL SISTEMA

Estos son algunos de los resultados más representativos que enmarcan las variaciones de flujo

másico (kg/seg), a simple vista se puede observar que la variación no es muy significativa en

algunos puntos, pero si consideramos una unidad de tiempo mayor (kg/hrs), esto ya se

contempla una cantidad de combustible considerable, lo cual no representa el consumo de

combustible que es obtenido del programa de cálculo, ya que el objetivo que se persigue es

mejorar las condiciones de operabilidad y por lo tanto consideramos abordar otra propuesta

con mayor precisión, que posteriormente se describe.

A demás de estar abierta la posibilidad de retomarla para la obtención adecuada de la ecuación

del plano, esto conlleva a un estudio e implementación de otro método para la obtención de la

ecuación exacta.

Para reforzar por que este método no fue empleado, después de obtener los valores mostrados

en la tabla 6. Se procedió a determinar el error de los valores del programa contra los de la

ecuación obtenida (ecuación 28). La tabla con resultados del error es mostrada en la parte final

de los anexos.

El error promedio del los valores de la ecuación 28 es de E = 3.9684 %. El cuál no satisface al

(50)

CAPITULO 3

“PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ CON EL

PLC SLC 500”

(51)

COMUNICACIÓN INTERFAZ / PLC

[image:51.595.84.527.169.396.2]

3.1 INTRODUCCIÓN A LA COMUNICACIÓN INTERFAZ / PLC

Figura 18. Esquema secuencial del sistema.

En la figura 18 se visualizan las componentes del sistema y su interrelación entre las mismas.

Comenzando con la parte que corresponde a la etiqueta 1 tenemos la recepción de la

temperatura por parte del PLC la cual entra como una variable de 4 a 20 mA por medio del

sensor de temperatura RTD y es tratada por el mismo dando a su salida una variable que

entenderá la interfaz de Visual Basic en la ventana de Recepción de datos marcada con la

etiqueta número 2, al mismo tiempo esta será enviada hacia la ventana de envío de datos

etiquetada con el número 3, la cual a cada variación que se presente en la temperatura realizará

los cálculos termodinámicos para obtener el flujo másico de combustible a la salida y que a su

vez este será enviado de nuevo hacia el PLC el cual de la misma forma será tratado por el

controlador para poder tener una salida de 4 a 20 mA la que será enviada a la válvula de

control para regular su porcentaje de cierre o apertura como se puede ver en la etiqueta

marcada con el número 4.

(52)

COMUNICACIÓN INTERFAZ / PLC

Este sistema cumple con la automatización requerida en el cual se puede implementar un paro

por emergencia, para este caso no se contempla ya que las medidas de seguridad son previstas

en otro trabajo terminal.

Por otra parte tenemos que aclarar que la automatización que realizamos del sistema queda

abierta a futuros cambios ya que se puede implementar control sobre él, o en base a este

sistema realizar cambios o mejoras que puedan permitir un desempeño más óptimo del que se

pretende con el presente trabajo.

La interfaz gráfica correspondiente a este proyecto esta diseñada mediante el ambiente de

programación Visual Basic, ya que es una de las herramientas más eficientes y económicas del

mercado actual, a continuación se presentan los diagramas y códigos correspondientes para

cada parte de la programación de la interfaz con su correspondiente explicación.

Este proyecto está compuesto de 1 interfaz con 2 ventanas, en la primera de ellos tenemos la

recepción de datos desde el PLC los cuales se envían hacia otra ventana en la que mediante

una serie de cálculos de termodinámica se tiene la cantidad de flujo de combustible (diesel)

necesario para generar una determinada cantidad de Potencia Eléctrica requerida.

Como antes ya se ha mencionado el sistema cuenta con dos bombas, una de CD y otra de CA

la primera funciona hasta que la turbina haya alcanzado su potencia nominal y esta se

establece dentro de ese límite de potencia, en el momento que se alcanza este valor entra

inmediatamente la otra bomba y esta sigue su función hasta que sea necesario o hasta que se

detenga la turbina.

Esto se puede observar fácilmente mediante los indicadores que se tienen en la parte inferior

de esta ventana los cuales indican la temperatura ambiente a la que esta trabajando el sistema y

la potencia requerida, con los cuales se puede estar supervisando que el sistema no se

encuentre fuera de los rangos de operación.

Este modelo de automatización propuesto inicia cuando presionamos un botón, con el cual

comienza el ciclo de recepción de datos y la manipulación de los mismos dentro de esta

ventana que se verán más adelante cuando se analice la programación de la interfaz.

El sistema tal y como estará instalado para su operación se mostrará más adelante, este es con

(53)

COMUNICACIÓN INTERFAZ / PLC

operación a este sistema se le indicará la cantidad de potencia eléctrica generada y la

temperatura será tomada en cuenta ya no como una variable sino como una perturbación para

el sistema la cual será regulada mediante la acción del PLC.

[image:53.595.165.439.195.666.2]

3.1.1 Diagrama de flujo

(54)

COMUNICACIÓN INTERFAZ / PLC

[image:54.595.104.505.173.468.2]

3.1.2 Recepción de datos

Figura 20. Interfaz gráfica

En la figura 20 se muestra una de las partes de la interfaz gráfica en la cual vamos a recibir

información desde el PLC.

En esta ventana tenemos 2 etiquetas en color verde las cuales indican la potencia eléctrica que

se requiere producir y la temperatura ambiente a la que se encuentra trabajando el sistema.

Estos datos recibidos desde el PLC se registran en cajas de texto y estos valores se visualizan

mediante un indicador y que en realidad esto es la que estaríamos viendo durante el proceso.

También se ilustran las dos bombas y en el momento de poner en marcha la interfaz actúa la

bomba de corriente continua y al alcanzar la potencia nominal entra inmediatamente la bomba

(55)

COMUNICACIÓN INTERFAZ / PLC

3.1.3 Envió de datos

En la ventana de envío de datos de Visual Basic hacia el PLC, primero tenemos la recepción

de datos del PLC hacia Visual Basic ya que los datos primero entran a la ventana de

recepción de datos y de ahí son enviados a la ventana de envío de datos, en esta ventana es

donde se asigna la potencia que se necesita generar y donde la temperatura a cada cambio que

registre se tratará mediante los cálculos establecidos para después el total de flujo másico

necesario enviarlo de nuevo hacia el PLC para que este lo interprete en su propio lenguaje y

envíe una señal de salida la cual es la que controlara el porcentaje de apertura de la válvula.

En esta parte tenemos cajas de texto las cuales reciben la información desde la ventana de

recepción de datos, estos datos son la potencia necesaria a generar y la temperatura ambiente a

la que se esta trabajando, con estos datos el programa realiza una serie de cálculos

termodinámicos y el resultado que nos interesa es saber la cantidad de flujo másico necesario

para generar esa cantidad de potencia eléctrica y este resultado es enviado de nuevo hacia el

PLC donde por medio de un escalamiento que se explicará más adelante se realiza un cálculo

[image:55.595.147.461.430.703.2]
(56)

COMUNICACIÓN INTERFAZ / PLC

En la figura 21 tenemos el lugar a donde son enviados y procesados los datos de entrada y al

final tenemos el total de flujo másico necesario.

Dentro del proyecto también tenemos que declarar variables globales para el manejo de datos

que se encuentran dentro de las 2 ventanas en este caso declaradas con las variables T para la

temperatura y P para la Potencia, declaradas de tipo doble por el formato de dato que se está

[image:56.595.86.525.235.776.2]

manejando dentro del proyecto, esto se muestra en la figura 22.

(57)

ANÁLISIS DE PROGRAMACIÓN

3.2 ANÁLISIS DE PROGRAMACIÓN

3.2.1 Descripción de recepción de datos a Visual Basic

A continuación se describe la programación de esta interfaz, comenzando donde tenemos la

declaración de las variables que se usarán dentro de esta ventana que en este caso son: X y Y

de tipo doble por las características del tipo de dato que se esta manejando tanto en Visual

Basic como en el PLC.

Después en esta parte se inicia el ciclo de envío y recepción de datos mediante la acción de un

botón que habilita los dos timers con los que se actualizan los datos de entrada y salida dentro

del proyecto.

A continuación tenemos lo más importante por mencionar es que al habilitar la ventana de

recepción de datos se habilita inmediatamente la ventana de envío de datos.

En la parte que corresponde al vínculo tenemos la comunicación del PLC con Visual Basic,

donde el código de comunicación hacia el PLC es:

txtPotencia.LinkTopic = "RSLinx|pruebaVb"

txtPotencia.LinkItem = "F8:6"

txtPotencia.LinkMode = 2

txtPotencia.LinkRequest

txtPotencia.LinkMode = 0

Donde: "RSLinx|pruebaVb" es el vínculo de Visual Basic hacia el PLC y "F8:6" es la

procedencia de donde se esta recibiendo el dato de la potencia de la interfaz que en este caso

es un valor de tipo flotante.

Por otra parte la variable global declarada como P recibe el valor que el indicador este

marcando en cualquier instante.

También tenemos el caso de la variable Temperatura donde tenemos la variación de la misma

(58)

ANÁLISIS DE PROGRAMACIÓN

txtTemp.LinkTopic = "RSLinx|pruebaVb"

txtTemp.LinkItem = "F8:11"

txtTemp.LinkMode = 2

txtTemp.LinkRequest

txtTemp.LinkMode = 0

txtT2 = Val(txtTemp)

txtT2 = CWKnob1.Value

Donde: "F8:11" es la procedencia de donde se esta recibiendo el dato de la temperatura

ambiente que esta llagando al PLC.

Además agregamos la condición de que si el valor de entrada a la interfaz se encuentra fuera

de los rangos de operación mande un valor nulo hacia la ventana donde se realizan los

cálculos con lo que tenemos una medida de seguridad ya que si lo anterior se cumple el valor

de la potencia es cero por lo que el cálculo arroja el mismo valor, es decir de cero en cuanto a

flujo másico. Por otra parte tenemos que los valores de los indicadores en cualquier instante

serán asignados a las principales variables que son potencia y Temperatura.

3.2.2 Descripción del envió de datos al plc desde Visual Basic

Primero se declaran todas las variables con las que se trabajará dentro de las cálculos

termodinámicos, después de haber declarado las variables se inicia con los cálculos de

termodinámica que están basados a la figura 20 y al capítulo 2 de este proyecto con los cuales

se obtiene la cantidad de flujo másico necesario para cierta cantidad de potencia.

Después tenemos que con el valor de temperatura y a cada uno de sus cambios se estará

realizando el cálculo establecido anteriormente para que a cada variación tengamos la

(59)

ANÁLISIS DE PROGRAMACIÓN

Aquí también se da la condición de que si la potencia está fuera del rango de operación

entonces mande un valor que lleve al sistema a un estado de seguridad el cual es no dejar pasar

flujo de combustible dando un valor de cero.

La parte más importante de la programación de esta ventana es de igual manera el vínculo de

Visual Basic con el PLC el cual se describe a continuación.

txtDato.LinkTopic = "RSLinx|pruebaVb"

txtDato.LinkItem = "N7:19"

txtDato.LinkMode = 2

txtDato.LinkPoke

txtDato.LinkMode = 0

Donde: "RSLinx|pruebaVb" es el vínculo de comunicación de El PLC con Visual Basic y

"N7:19" es la dirección a donde se enviará el dato de control de Visual Basic manejado como

número entero para evitar errores por el formato que maneja tanto Visual Basic como el PLC

(60)

PROGRAMACIÓN DEL PLC

3.3 PROGRAMACIÓN DEL PLC (SLC-500)

Primero por mencionar que esta programación se llevo a cabo para realizar pruebas, al final se

presentará el programa del PLC tal y como quedará instalado.

A continuación la descripción y funciones de las líneas en el programa.

En la primera línea habilitamos un timer que simulará el envío de datos de la potencia en caso

de que esta se encontrara variando, pero solo a fin de prueba ya que al programa real se le dará

el valor de la potencia que queremos generar sin que este se encuentre variando, el único valor

que estará variando es la temperatura ya que la temperatura que se estará tomando en cuenta es

la temperatura ambiente, considerándola ya no como una variable sino como una perturbación

que se estará corrigiendo dependiendo de sus variaciones.

El segundo bloque tenemos el escalamiento que es una función dentro del PLC mediante la

cual tenemos un valor de entrada que será la potencia, que será sensado y transmitida ha una

entrada analógica con una señal que va de 4 a 20 mA que el PLC interpretará dentro de un

rango de 3,277 a 16.384 que en nuestro entender es el escalamiento que se hace. Esto es

4mA seria en valor binario 3,277 y 20mA es a 16,384.

Dentro de este bloque como ya se ha mencionado anteriormente estará oscilando de 3,277 a

16,384 y este valor será escalado a valores de 25 MW el valor a la que la turbina opera

nominalmente .

Después tenemos la simulación de entrada de datos de la temperatura que también se llevo

acabo para pruebas se realizó mediante el uso de un timer donde el dato de entrada será el

acumulado del timer que representará las variaciones de temperatura de grado en grado,

Este valor será interpretado como la variación de temperatura de grado en grado para este caso

que es de prueba pero en el sistema real este dato estará dado por un sensor y un transmisor de

temperatura el cual enviará señales de 4 a 20 mA las cuales el PLC las interpretará como 3,277

para 4 mA y 16,384 para 20 mA y este valor de temperatura estará dentro de este rango según

la temperatura ambiente que se este censando ya que es variante dependiendo donde se

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[image:61.595.84.545.101.591.2]

PROGRAMACIÓN DEL PLC

Figura 23. Programación de prueba

Entendiendo lo anterior ahora podemos pasar a mencionar para este caso los datos de entrada

son los acumulados de los timers pero esto solo con fines de prueba ya que como dato de

entrada solo tenemos la temperatura ambiente, ya que la potencia que queremos generar se

Figure

Figura 3. Diagrama  de turbina de gas simple
Tabla 2. Especificaciones físicas del diesel
Figura 5. Carro de control y carro potencia
Tabla 3. Variación de la eficiencia de acuerdo a la temperatura
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Referencias

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