APLICACION DE UN SISTEMA DE MONITOREO CONTINUO PARA EL INCREMENTO DE LOS CICLOS OPERATIVOS Y MEJORA DEL PROCESO DE ENFRIAMENTO DE ACEITE DEL MOTOR DE UN BARCO

México D.F. Noviembre 2011

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

APLICACIÓN DE UN “I“TEMA DE MONITOREO CONTINUO PARA EL INCREMENTO

DE LOS CICLOS OPERATIVOS Y MEJORA DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO DE

ACEITE DEL MOTOR DE UN BARCO

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN PRESENTAN:

PÉREZ ROSAS JOSÉ ANTONIO VARGAS PÉREZ TANIA JANETT VENEGAS ÁNGELES JOSÉ EDUARDO

ASESORES:

-i-

INTRODUCCIÓN

Anteriormente el ferry de carga “MS European Endeavourde” ha estado involucrado en accidentes de choque debido falta de mantenimiento en sus sistemas generales de navegación y alimentación eléctrica, además de que no cuenta con un sistema de monitoreo que le permita conocer el estado de sus equipos e instrumentos.

Este trabajo está enfocado a la aplicación de un monitoreo continuo a través de una HMI, que permite observar la operación del sistema de lubricación de los Motores Diesel del barco, para determinar la frecuencia del mantenimiento.

El monitoreo que se plantea permite que los operadores realicen hojas de especificaciones con los datos de operación del intercambiador de calor, para observar su comportamiento y determinar cuando este requiere un mantenimiento preventivo para así corregir las fallas antes de que el equipo quede inutilizable, además esto permite mejorar los ciclos operativos debido a que se mantiene operando al equipo en condiciones adecuadas.

Para resolver los problemas que se mencionan se determinara una estrategia de control y monitoreo, para esto se identifican las condiciones de operación del intercambiador de calor utilizado en el sistema de enfriamiento de aceite de los Motores Diesel del barco.

-ii-

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Para el aceite lubricante utilizado en cualquier motor de combustión interna, el incremento en la temperatura de operación por encima de los valores permitidos provoca la pérdida de las propiedades del aceite.

En el barco se tiene un intercambiador de calor que se utiliza en el sistema de enfriamiento del aceite que pertenece al sistema de lubricación de los Motores Diesel. La falta de mantenimiento lleva a la empresa a remplazar el intercambiador de calor cada 8 meses debido al taponamiento por incrustaciones de sal y microorganismos que se adhieren a las paredes y tuberías del sistema. Para los operarios en el barco es difícil detectar cuando es necesario un mantenimiento por lo que esto se deja de lado y se prefiere cambiarlo en lugar de aplicar un mantenimiento.

Para asegurar que la temperatura del aceite es la adecuada el intercambiador utiliza agua de mar como medio enfriante debido a que es abundante, ilimitada y de fácil acceso. El agua de mar es altamente corrosiva para el intercambiador de calor pero es el medio enfriante más económico con el que se cuenta por lo que es preferible reemplazar el equipo de intercambio de calor que dar un tratamiento al agua de mar.

El uso de agua de mar genera problemas con incrustaciones salinas en el equipo y tuberías, disminuyendo la eficiencia y los tiempos de operación del sistema.

-iii-

OBJETIVOS Objetivo general:

Proponer un sistema de monitoreo continuo que permita observar el comportamiento de las variables del sistema de enfriamiento de aceite del motor de un barco, para garantizar el correcto funcionamiento del equipo, incrementar los tiempos de operación y la eficiencia del proceso de intercambio de calor.

Objetivos particulares:

1. Monitorear el equipo de intercambio de calor a través de una HMI para determinar la aplicación de un mantenimiento preventivo.

-iv-

ANTECEDENTES

En algunas situaciones el monitoreo en barcos se lleva a cabo a través de la tripulación. Esto se hace de la siguiente manera; una persona se encuentra siempre atenta a todo lo que ocurre en los cuartos de máquinas del barco y a su vez otras personas se encuentran vigilando otras áreas relacionadas al motor, sistemas de enfriamiento y navegación y la comunicación se da por medio de equipos de radio comunicación.

No siempre se cuenta con sistemas de monitoreo avanzados como lo es la aplicación de las HMI. Aunque ya existen equipos pequeños y relativamente económicos que permiten su uso dentro de embarcaciones de cualquier tipo, la utilización de estos dentro de los barcos aun es muy escasa.

-v-

JUSTIFICACIÓN

El monitoreo continuo en el sistema de enfriamiento de aceite del motor de un barco es importante debido a los cambios en los índices de salinidad del agua de mar, que es el medio enfriante utilizado en dicho sistema. Diversos factores alteran la salinidad y la composición química del agua de mar y debido a que está en contacto directo con todos los equipos e instrumentos del sistema de enfriamiento de aceite, es importante monitorearlos para determinar cuando estos requieren un mantenimiento preventivo o correctivo.

En ocasiones se da un bajo rendimiento en los motores de barcos cuando no se encuentran trabajando bajo las especificaciones correspondientes, se debe tener cuidado en las condiciones de temperatura y lubricación en las que se encuentran trabajando los motores dentro de los barcos y es importante mantener monitoreadas estas condiciones.

Anteriormente no se ha dado importancia al monitoreo continuo para los equipos que trabajan al interior de los barcos. Debido a que los niveles de salinidad y composición química del agua de mar han ido cambiando con los años, ya es factible monitorear el funcionamiento de los equipos en ambientes corrosivos para asegurar que su tiempo de vida no se vea limitado. El desechar equipos de intercambio de calor o no tener un buena eficiencia de equipos ya no se justifica teniendo en la actualidad técnicas de monitoreo que nos pueden permitir aumentar su tiempo de vida útil.

-vi- INDICE

Introducción i

Planteamiento del Problema ii Objetivos iii

Antecedentes iv

Justificación v

Índice de Figuras ix

Índice de Tablas viii

CAPÍTULO

Introducción al Sistema de Lubricación y Sistema de Enfriamiento

del Motor Diesel de un Barco

1.1 Motores diesel 1 1.1.1 Motor Diesel Marino 2 1.2 Sistema de Enfriamiento del Motor Diesel 3

1.3 Sistema de Lubricación del Motor Diesel 4

1.4 Intercambiadores de Calor 6 1.4.1 Intercambiador de Calor de Tubos y Carcasa 7

1.5 Especificaciones del Mar Mediterráneo 8

1.5.1 Parámetros Físico-Químicos del Mar Mediterráneo 9

1.6 Especificación del Barco 11 1.6.1 Especificaciones Técnicas de los Motores Diesel 12

-vii-

1.7 Instrumentación 15

1.8 Equipo 19

1.9 Interfaz Hombre-Máquina (HMI) 21

CAPÍTULO

Estrategia de Control y Monitoreo

24

2.1 Análisis del Sistema de Lubricación 24

2.2 Determinación de Parámetros de Control en el Intercambiador de Calor 26

2.2.1 Balance de Energía 26

2.2.2 Función de Transferencia del Intercambiador de Calor 29 2.2.3 Función de Transferencia de la Válvula de Control 32

2.3 Propuesta de la Estrategia de Control 33

2.3.1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación 34

2.4 Propuesta de la Estrategia de Monitoreo 36

2.4.1 Mejora de los Ciclos Operativos del Intercambiador de Calor 36

CAPÍTULO

Instrumentación y Equipos

39

3.1 Selección de Instrumentación 39

3.2 Selección de Equipo 47

2

-viii-

CAPÍTULO

Aplicación de Control y de Sistema de Monitoreo

51

4.1 Control para el Sistema de Enfriamiento 51

4.1.1 Control por Retroalimentación 51

4.1.2 Sintonización del Controlador 56

4.1.3 Respuestas del Sistema 61

4.2 Diseño y Programación de la HMI 72

4.2.1 Descripción de la HMI del Sistema de Lubricación 75

4.3 Programación del PLC 82

4.4 Comunicación PLC-HMI 93

CAPÍTULO

Propuesta Económica

102

5.1 Costos de Instrumentación y Equipo 102

5.2 Justificación Económica de la Implementación de la HMI 103

5.3 Costos de implementación de la HMI 105

Conclusiones 106

Bibliografía 107

Anexos 108

4

-ix-

Índice de Figuras

CAPITULO 1

Figura 1.1.1-1 Motor diesel de un barco 2

Figura 1.2-1 Sistema de enfriamiento del Motor Diesel 4

Figura 1.3-1 Sistema de lubricación 6

Figura 1.4.1-1 Intercambiador de calor de tubos en “U” 8 Figura 1.5.1-1 Trayectoria de Navegación del “MS European Endeavourde” 11 Figura 1.6-1 Barco tipo ferry “MS European Endeavourde” 12

Figura 1.6.1-1 Motor Wärtsilä 9L38 13

Figura 1.7-1 Instrumentación industrial 16

Figura 1.7-2 Partes Principales de una válvula de globo 18

Figura 1.7-3 Válvula de Compuerta 18

Figura 1.8-1 Componentes principales de un PLC 20

Figura 1.8-2 Partes principales de una bomba centrifuga 21

CAPITULO 2

Figura 2.1-1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación del sistema de enfriamiento

del aceite de un barco 25

Figura 2.2.1-1 Diagrama de entradas y salidas al intercambiador de calor 29 Figura 2.3-1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación del sistema de enfriamiento

del aceite lubricante 35

CAPITULO 3

Figura 3.1-1 Transmisor de temperatura 40

Figura 3.1-2 Transmisor de presión 41

Figura 3.1-3 Transmisor de presión diferencial 41

-x-

Figura 3.1-5 Localización de las válvulas en bypass 42

Figura 3.1-6 Válvula de control 44

Figura 3.1-7 Válvula de compuerta manual 44

Figura 3.1-8 Válvula de globo manual 45

Figura 3.2-1 Intercambiador de calor 50

CAPITULO 4

Figura 4.1.1-1-Diagrama de bloques del sistema 51

Figura 4.1.1-2 Diagrama de bloques construido en Simulink 52 Figura 4.1.1-3 Bloque de planta a 15°C y 4 motores operando 53 Figura 4.1.1-4 Cuadro de parámetros de la función de transferencia 54

Figura 4.1.1-5 Bloque de medición 55

Figura 4.1.1-6 Bloque de control 55

Figura 4.1.2-1 Señal de entrada a la válvula 58

Figura 4.1.2-2 Curva de reacción del proceso 59

-xi-

Figura 4.1.3-14 Respuesta del flujo de agua de mar 30°C y 3 motores 68 Figura 4.1.3-15 Sintonización del PID con 3 motores en operación 69 Figura 4.1.3-16 Respuesta de la temperatura del aceite 15°C y 4 motores 69 Figura 4.1.3-17 Respuesta del flujo de agua de mar 15°C y 4 motores 70 Figura 4.1.3-18 Respuesta de la temperatura del aceite 30°C y 4 motores 70 Figura 4.1.3-19 Respuesta del flujo de agua de mar 30°C y 4 motores 71 Figura 4.1.3-20 Sintonización del PID con 4 motores en operación 71 Figura 4.2-1 Programación de la Interfaz Hombre-Máquina 72 Figura 4.2-2 Programación de la Interfaz Hombre-Máquina 73 Figura 4.2-3 Programación de la Interfaz Hombre-Máquina 74 Figura 4.2-4 Programación de la Interfaz Hombre-Máquina 75

Figura 4.2.1-1 Barra de switch´s de control 76

Figura 4.2.1-2 Caso 1 Indicadores de Motor Diesel 76 Figura 4.2.1-3 Caso 2 Indicadores de Motor Diesel 77 Figura 4.2.1-4 Caso 3 Indicadores de Motor Diesel 77 Figura 4.2.1-5 Indicadores de la instrumentación 78 Figura 4.2.1-6 Flujo de aceite en el tubo del intercambiador 78 Figura 4.2.1-7 Flujo de agua y aceite en el intercambiador de calor 79

Figura 4.2.1-8 Representación del caso 1 80

Figura 4.2.1-9 Representación del caso 2 81

Figura 4.2.1-10 Representación del caso 3 82

Figura 4-3-1 Configuración de entradas y salidas 83

Figura 4.3-2 Sub-programa LAD 2 CTL PID 85

Figura 4.3-3 Sub-programa LAD 2 CTL PID (continuación) 86 Figura 4.3-4 Sub-programa LAD 2 CTL PID (continuación) 87 Figura 4.3-5 Sub-programa LAD 2 CTL PID (continuación) 88

Figura 4.3-6 Sub-programa LAD 3 CTL BOMBAS 90

-xii-

Figura 4.3-8 Sub-programa LAD 5 COMPARADOR 92

Figura 4.3-9 Sub-programa LAD 6 INDICADOR 93

Figura 4.4-1 Creación de la conexión utilizando el protocolo de comunicación RS-232 94 Figura 4.4-2 Detección de la estación de trabajo y del PLC 95

Figura 4.4-3 PLC en línea 95

Figura 4.4-4 PLC comunicado y en línea 96

Figura 4.4-5 Creación de la comunicación OPC 97

Figura 4.4-6 Diseño de la Interfaz Hombre-Máquina 97

Figura 4.4-7 Ventana de propiedades del switch de la bomba de

pre-lubricación del Motor No. 1 98

Figura 4.4-8 Configuración de la vinculación 99

Figura 4.4-9 Árbol de componentes del RSLinx OPC Server 99

Figura 4.4-10 Ruta de vinculación 100

Figura 4.4-11 Comprobación de la vinculación 101

CAPITULO 5

-xiii-

Índice de Tablas

CAPITULO 1

Tabla 1.5-1 Composición de los iones principales del agua de mar (g/ml) 9 Tabla 1.6-1 Especificaciones del ferry “MS European Endeavourd” 12 Tabla 1.6.1-1 Especificaciones del Motor Wärtsilä 9L38 13 Tabla 1.6.2-1 Propiedades Fisico-Quimicas del aceite 14 Tabla 1.6.2-2 Datos de operación del aceite lubricante 14 Tabla 1.6.2-3 Variación de la viscosidad del aceite respecto a la temperatura 15

CAPITULO 2

Tabla 2.2.1-1 Parámetros de los fluidos 28

CAPITULO 3

Tabla 3.1-1 Índice de instrumentación 46

Tabla 3.2-1 Listado de entradas y salidas del controlador 47 Tabla 3.2-2 Especificaciones de los generales del PLC SLC 500-5/03 48 Tabla 3.2-3 Especificación de los módulos de entrada y salida analógicas

del PLC SLC 500-5/03 49

Tabla 3.2-4 Especificación de los módulos de entrada y salida digitales

del PLC SLC 500-5/03 49

Tabla 3.2-5 Especificación de dimensiones del intercambiador de calor 50

CAPITULO 4

Tabla 4.1.1-1 Valores de Tau y R 53

Tabla 4.1.1-2 Sintonizaciones de PID´s 56

-xiv- CAPITULO 5

Tabla 5.1-1 Costo de la instrumentación propuesta 102

Tabla 5.1-2 Desglose de costos del PLC SLC500 103

Tabla 5.2-1 Características del mantenimiento 104

Tabla 5.2-2 Costos por reemplazo de equipo 104

Tabla 5.3-1 Costos de los softwares utilizados 105

-1-

Introducción al Sistema de

Lubricación y Sistema de

Enfriamiento del Motor

Diesel de un Barco

CAPÍTULO

1.1 Motores Diesel

El ingeniero alemán Rudolf Diesel desarrolló en 1892 el motor que lleva su nombre, cuya eficiencia es bastante mayor en comparación al motor de gasolina.

El motor diesel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo de funcionamiento del motor diesel.

El funcionamiento de un motor diesel comienza con la ignición sin chispa de la mezcla de aire con el combustible. Como se mencionaba anteriormente, es necesaria la elevación de la temperatura para la compresión del aire, lo que se produce en el denominado segundo tiempo motor, la compresión. Posteriormente, el combustible es inyectado en la parte superior de la cámara de compresión. Este proceso se realiza a una gran presión, lo que permite que el combustible se atomice y se mezcle con el aire. Todo este proceso produce la combustión de la mezcla en forma rápida, lo que hace que la mezcla que se ha acumulado en la cámara se expanda, haciendo que el pistón se mueva hacia abajo. El movimiento del pistón es transmitido a otras estructuras que hacen que este movimiento lineal se transforme en un movimiento de rotación.

-2-

Los motores diesel resultan de gran utilidad, ya que, debido a su bajo consumo de combustible, resultan en el mediano y largo plazo más baratos que los motores a gasolina. Debido a esto se ha incrementado la demanda de este tipo de motores para los automóviles, por lo tanto, el precio del diesel se ha ido acercando cada vez más al de la gasolina, situación que ha generado ciertos problemas, sobretodo, en el rubro de los transportes.

1.1.1 Motor Diesel Marino

Hay diferentes tipos de maquinaria que se utiliza en un barco, esto depende de las aplicaciones y las necesidades que se tengan en el mismo, principalmente se utilizan las turbinas y los motores diesel para la propulsión y la generación de energía eléctrica.

Los motores Diesel desplazaron completamente a las turbinas de vapor en el siglo pasado. Salvo en grandes buques militares en los que también se emplean reactores nucleares para la propulsión. Para arrancarlos es necesario inyectar aire a presión en los pistones de modo que todo el conjunto comience a girar.

-3-

1.2 Sistema de Enfriamiento del Motor Diesel

En algunas partes del motor se tienen temperaturas mayores de 1000°C (cámara de combustión). En un motor más de la tercera parte de energía que se le suministra a través del combustible se pierde en forma de calor. El sistema de enfriamiento es el que se encarga de que los diferentes componentes del motor se mantengan en temperaturas seguras y así evitar que el motor sufra desgastes prematuros o daños graves y de esta manera lograr su máximo rendimiento.

Algunas partes del motor que se deben enfriar constantemente son:

 Cámara de combustión

 Parte alta del cilindro

 Cabeza del pistón

 Válvulas de escape y de admisión

 Cilindro

Los sistemas de enfriamiento modernos están diseñados para mantener una temperatura homogénea entre 82° y 113°C en el motor. Un sistema que no cumpla los requisitos que se exigen puede producir los siguientes efectos:

 Desgaste prematuro de partes por sobrecalentamiento, especialmente en el pistón con la pared del cilindro

 Pre-ignición y detonación

 Daño a componentes del motor o accesorios (radiador, bomba de agua, cabeza del motor, monoblock, bielas, cilindros, etc.)

 Corrosión de partes internas del motor

 Entrada de refrigerante a las cámaras de combustión

 Fugas de refrigerante contaminando el aceite lubricante

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 Formación de películas indeseables sobre elementos que transfieren calor como los ductos del radiador

 Sobreconsumo de combustible

 Formación de lodos por baja o alta temperatura en el aceite lubricante

Figura 1.2-1 Sistemas de enfriamiento del Motor Diesel

1.3 Sistema de Lubricación del Motor Diesel

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calor con el medio ambiente cuando circula por zonas de temperatura más baja y principalmente cuando se pasa a través de un enfriador de aceite.

La función es la de permitir la creación de una capa de aceite lubricante en las partes móviles evitando el contacto metal con metal, permitiendo el movimiento entre los elementos evitando al máximo los daños por rozamiento.

El sistema de lubricación consta básicamente de un intercambiador de calor, una bomba que sustrae agua de mar y la hace circular por la carcasa del enfriador, bombas que hacen circular el aceite por los tubos interiores del enfriador y conductos por donde se recircula el aceite hacia el motor.

El funcionamiento es el siguiente: una bomba toma el aceite del depósito y lo envía al filtro a una presión regulada, se distribuye a través de conductos del motor hacia las partes móviles que va a lubricar y/o enfriar, luego pasa por el equipo de enfriamiento donde se extrae parte del calor absorbido y retorna al depósito para reiniciar el ciclo.

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Figura 1.3-1 Sistema de lubricación

Conociendo el funcionamiento del sistema de enfriamiento, del sistema de lubricación y los factores que los afectan se puede proponer un mejor control.

1.4 Intercambiadores de calor

Los medios de refrigeración a bordo del barco son principalmente intercambiadores de calor y utilizan principalmente el agua de mar por ser fácilmente accesible y un fluido que se encuentra disponible sin costo alguno.

El proceso de intercambio de calor se logra haciendo que los dos líquidos pasan en contra flujo o en el mismo sentido a través de una superficie conductora que permite la transferencia de calor entre ambos flujos. El calor del líquido caliente pasa al líquido frío por la superficie de conducción, es decir, la pared del tubo.

-7-

temperatura rápida y constante entre los dos líquidos y por lo tanto la máxima transferencia de calor en la superficie disponible.

Existen diversas maneras en las que se clasifican los intercambiadores de calor y en función de sus características se utilizan para diferentes funciones. (Véase anexo 1).

1.4.1 Intercambiador de calor de tubos y carcasa

Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo son equipos de transferencia de calor en las plantas de procesos químicos. Por lo general el intercambiador carcasa y tubo, consiste en una serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado carcasa y son la mejor opción a la necesidad de una gran transferencia de calor.

Dentro de este tipo de intercambiadores, se tiene al intercambiador de calor de tubos en “U” (o de horquilla). El diseño consiste en que los tubos rectos son doblados en forma de U, el haz de tubos es fijado con deflectores que se acomodan dependiendo del fluido exterior de los tubos. En la carcasa se atornilla un cabezal para dirigir el fluido dentro del haz de tubos. El haz de tubos se puede retirar de la coraza del intercambiador de calor.

-8-

Figura 1.4.1-1 Intercambiador de calor de tubos en “U”

1.5 Especificaciones del Mar Mediterráneo

El Mar Mediterráneo es un mar interior de Europa, Asia y África. Es casi un mar cerrado. Cubre una extensión de unos 2 510 000 km2. Tiene una longitud de este a oeste de 3 860 km y una anchura máxima de 1 600 km. En general poco profundo 1 370 m de media, el Mediterráneo alcanza una profundidad máxima de 5 121 m frente a la costa sur de Grecia.

La salinidad media para todas las aguas oceánicas es de alrededor 35 partes por mil, pero existen mares, generalmente caracterizados por comunicaciones limitadas con los océanos adyacentes, en los que se alcanzan valores de 38 o más como en el mar Rojo.

-9-

Tabla 1.5-1 Comparación de los iones principales del agua de mar (g/ml)

Elemento Agua de mares

(menos salinos) Mar Mediterráneo

Cloruro (Cl-1_{) 18 980 21 200}

Sodio (Na-1_{) 10 556 11 800}

Sulfato (SO4-2) 2 649 2 950

Magnesio (Mg+2_{) 1 262 1 403}

Calcio (Ca+2_{) 400 423}

Potasio (K+1_{) 380 463}

Bicarbonato (HCO3-1) 140 ---

Estroncio (Sr+2_{) 13 ---}

Bromuro (Br-1_{) 65 155}

Ácido bórico (H3BO3) 26 72

Fluoruro (F-1_{) 1 ---}

Silicato (SiO3-2) 1 ---

Yodo (I-1_{) <1 2}

Otros 1 ---

Sólidos disueltos

totales 34 483 38 600

El progresivo deterioro de estructuras que se encuentran expuestas a la acción de la atmósfera marina constituye un grave problema industrial. En efecto las embarcaciones y otras estructuras portuarias, requieren un constante mantenimiento para conservarles en buen estado.

1.5.1 Parámetros Físico-Químicos del Mar Mediterráneo

-10-

aguas profundas más saladas. La salinidad se deduce midiendo la conductividad eléctrica de una muestra de agua marina, a partir de esto y de la temperatura original de la muestra, se puede calcular la densidad del agua del mar en el punto donde se tomó dicha muestra.

La densidad del agua de mar esta en función de la salinidad, la temperatura y la presión. Su importancia en oceanografía es notable porque determina la profundidad a la cual las masas de agua alcanzan el equilibrio; las menos densas se disponen en superficie y las más densas y pesadas en profundidad. La densidad varía de 1.02400 a 1.03000 g/cm3 (los valores más bajos en superficie y cerca de las costas). La densidad del agua de mar se calcula mediante el uso de ecuaciones matemáticas que la relacionan con la temperatura y la salinidad cuando la presión se ha reducido a la atmosférica.

La viscosidad de un fluido es la resistencia interna al flujo debida al efecto combinado de las fuerzas de adhesión y cohesión entre sus moléculas. La viscosidad del agua de mar es mayor que la de las aguas dulces y depende de la salinidad.

El mar Mediterráneo es uno de los más salinos, por tanto es uno de los más corrosivos ya que el nivel de salinidad en el agua es proporcional a la corrosión que esta ofrece. Pero también la composición de iones disueltos es el agua afectan el nivel de corrosión debido a que hay un cambio en el pH y por lo tanto un cambio en la acidez del agua.

Como se sabe, la atmosfera está estrechamente relacionada con el comportamiento de los mares, es claro que la contaminación en la atmósfera, afecta directamente la composición química de los mares, esto afecta a todo aquello que este en contacto con estos. En los estudios recientes se ha determinado que la contaminación del aire (incremento de la presencia de dióxido de carbono atmosférico) ha provocado una variación del pH en 0.3 a 0.5 en el Mar Mediterráneo, por lo tanto se ha incrementado su acidez.

Tomando en cuenta trayectoria de navegación del barco “MS European Endeavourde”

-11-

trayectoria, la cual se muestra en la Figura 1.5.1-1 por lo que se observa que el medio enfriante utilizado para el sistema de lubricación del barco, es agua que se extrae del Mar Mediterráneo.

Figura 1.5.1-1 Trayectoria de Navegación del “MS European Endeavourde”

Teniendo en cuenta la ruta de navegación del barco, se tienen las siguientes características del medio enfriante.

Temperaturas promedio del agua por estación del año:

 21°C a 30°C en verano

 15°C a 18°C en invierno La salinidad promedio es la siguiente:

 Salinidad = 38g/l

La densidad promedio que se ha registrado es la siguiente:

 Densidad = 1.032 Kg/l

1.6 Especificación del Barco

El nombre del buque es “MS European Endeavourde” de una empresa en el Reino Unido

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Figura 1.6-1 Barco tipo Ferry “MS European Endeavourde”

Este ferry de carga debe garantizar los tiempos de entrega por lo que no puede tener interrupciones en el recorrido. A continuación se muestran las principales características del barco.

Tabla 1.6-1 Especificaciones del ferry “MS European Endeavourde”

1.6.1 Especificaciones Técnicas de los Motores Diesel

En la figura 1.6.1-1 se muestra el motor WÄRTSILÄ 9L38, el cual es un motor de 4 tiempos, de media velocidad, sobrealimentado, refrigerado y de inyección directa. En la tabla 1.6.1-1 se indican las especificaciones del motor.

Longitud 179.95 m

Manga 25.24 m

Calado 6.5 m

Velocidad 22.5 nudos

Hélices Propulsoras 2 hélices

Tipo de Hélice Paso variable

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Figura 1.6.1-1 Motor Wärtsilä 9L38

Tabla 1.6.1-1 Especificaciones del motor Wärtsilä 9L38

1.6.2 Especificaciones Técnicas del Lubricante

El aceite de lubricación que utilizan los Motores Diesel Wärtsilä 9L38 es un aceite tipo SAE 40, Castrol MHP 154, el cual presenta las siguientes propiedades:

POTENCIA DEL MOTOR EN CONDICIONES LOCALES Potencia 100%

(Kw)

Velocidad del Motor

(rpm) Ralentí (rpm)

5940 600 320

CONDICIONES DEL AMBIENTE DE OPERACIÓN

Presión atmosférica nominal (mbar)

Temperatura del refrigerante del aire de carga (°C)

Temperatura del aire de aspiración (°C)

Mín. Máx. Mín. Máx.

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Tabla 1.6.2-1 Propiedades Físico-Químicas del aceite

ACEITE CASTROL MPH 154

Punto de inflamación 228 °C

Color Café Oscuro

Estado Físico Liquido

Densidad 0.895 kg/L

Solubilidad Soluble en Agua

Punto Mínimo de fluidez -15 °C

La utilización de dicho aceite es debido a que cuenta con las especificaciones del proveedor del motor, al igual que el proveedor del aceite garantiza que es apto para motores de la marca WÄRTSILÄ, para así obtener un mejor rendimiento en el motor.

El aceite debe contener aditivos que aseguren buena resistencia a la oxidación, protección contra la corrosión, neutralización de ácidos de combustión, oxidación de residuos y prevención de formación de depósitos en las partes internas del motor (en particular en la cámara de refrigeración del pistón, zona de los aros de pistón y en las superficies de los cojinetes).

Tabla 1.6.2-2 Datos de operación del aceite de lubricación

ESTADO DEL ACEITE LUBRICANTE Temperatura antes

del motor (°C)

Presión antes del

motor (BAR) Viscosidad

Índice de viscosidad (VI)

63 4.5 SAE40 MIN.95

-15-

Tabla 1.6.2-3 Variación de la viscosidad del aceite respecto a la temperatura

1.7 Instrumentación

De acuerdo a su función en el proceso:

 Instrumentos indicadores: son los que indican directamente el valor de la variable de proceso, se pueden observar en ellos los valores medidos de manera fácil. Ejemplos: manómetros, termómetros, etc.

 Elementos primarios: los elementos entran en contacto directo con el fluido o variable de proceso que se desea medir, con el fin de recibir algún efecto de este (absorben energía del proceso), y por este medio pueden evaluar la variable en cuestión, por ejemplo: cuando recibe una señal y responde con una señal eléctrica. Esto es independiente de si el elemento primario requiere excitación o no para generar la señal eléctrica. Ejemplos: Sensor piezoeléctrico, termopar, galga extensiométrica.

 Transmisores: estos elementos reciben la variable de proceso a través del elemento primario, y la transmiten a algún lugar remoto. Estos transmiten las variables de proceso en forma de señales proporcionales a esas variables.

 Transductores: utilizara este elemento cuando la señal de un controlador o un transmisor, para ser compatible con el receptor de esa señal.

 Controladores: este es uno de los elementos más importantes, ya que será el encargado de ejercer la función de comparar lo que está sucediendo en el proceso, con lo que realmente se desea que suceda en él, para que posteriormente, envié una señal al proceso que corrija las desviaciones.

VISCOSIDAD DEL ACEITE CASTROL MPH 154

Temperatura (°C) Viscosidad Cinemática

(cSt)

40 132

63 44.82

93 16.32

-16-

 Elemento final de control: será este elemento quien reciba la señal del controlador y quien estando en contacto directo con el proceso, ejecute un cambio en este, de tal forma que se cambien los parámetros hacia el valor deseado.

En el lazo de control por retroalimentación del proceso se tiene componentes importantes, los cuales son:

 Proceso

 Sensor

 Transmisor

 Controlador

 Elemento final de control

Estos componentes se deben seleccionar principalmente en base a su función y sus rangos de operación.

Figura 1.7-1 Instrumentación industrial

Sensor de Temperatura

-17-

 Resistencia eléctrica

 Tensión

 Corriente eléctrica

En base a la tecnología del censado se tienen a los:

 RTD (Detector de la Temperatura de Resistencia): Pt 100 o Pt 1000 (precisos, estables y que abarcan un amplio intervalo de temperatura).

 Termopares: adaptados a temperaturas muy elevadas y son mecánicamente muy estables.

Válvula de control

Esta ejecuta la acción ordenada por el controlador y dependiendo del proceso pueden ser motores eléctricos o válvulas automáticas de control.

Para este proceso se determina el uso de una válvula de control debido a que es el modo más común y eficiente de controlar flujo y es de mayor aplicación en la industria que el control con bombas (motores).

Válvula de Control Tipo Globo

Las válvulas de globo son unidireccionales, comúnmente son utilizadas como válvulas de regulación. Su robustez y cierre hermético Metal-Metal hacen que éstas válvulas sean adaptables a las más altas exigencias de presión y temperatura de un proceso.

-18-

Figura 1.7-2 Partes Principales de una válvula de globo

Válvula de Compuerta

Se utilizan cuando es importante saber mediante inspección inmediata si la válvula está abierta o cerrada, también cuándo el vástago y compuerta están expuestos a líquidos que podrían dañarlos. El vástago se levanta cuando la válvula es abierta. Es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.

-19-

Recomendada para:

 Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación.

 Para uso poco frecuente.

 Para resistencia mínima a la circulación.

 Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería. Aplicaciones:

Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos.

Características:

 Alta capacidad.

 Cierre hermético.

 Bajo costo.

 Poca resistencia a la circulación.

 Se requiere mucha fuerza para accionarla.

1.8 Equipo

Básicamente un controlador lógico programable está construido en forma modular, teniendo usualmente un procesador central, módulos de entrada/salida, fuente de poder y otros accesorios.

Debido a la estructura modular de los PLC, en general pueden distinguirse en él los siguientes componentes:

 Procesador central (CPU)

 Fuente de alimentación

-20-

- Digitales

 Comunicaciones

Se adquieren aparte debido a que la necesidad de un protocolo de comunicación es diferente para cada proceso en el que se vaya a aplicar.

Figura 1.8-1 Componentes principales de un PLC

Bomba Centrifuga

-21-

Los elementos principales de toda bomba centrifuga son:

 Un elemento estático conformado por chumaceras y cubierta

 Un elemento dinámico-giratorio conformado por un impulsor y una flecha

Existen bombas capaces de alcanzar de forma estable velocidades tan altas como 10.000 rpm y de bombear contra alturas mayores de 100 metros impulsando hasta dos millones de litros por minuto.

Figura 1.8-2 Partes principales de una bomba centrifuga

1.9 Interfaz Hombre-Máquina (HMI)

-22-

Clasificación de HMI´s:

Sin considerar el método tradicional, podemos distinguir básicamente dos tipos de HMI´s:

 Terminal de Operador: consistente en un dispositivo, generalmente construido para ser instalado en ambientes agresivos, pueden ser únicamente de despliegues numéricos, alfanuméricos o gráficos. Pueden ser además con pantalla sensible al tacto (touch screen).

 PC + Software, esto constituye otra alternativa basada en un PC en donde se carga un software apropiado para la aplicación. Como PC se puede utilizar cualquiera según lo exija el proyecto, en donde existen los llamados Industriales (para ambientes agresivos), los de panel (Panel PC) que se instalan en gabinetes dando una apariencia de terminal de operador.

Funciones de un Software HMI:

 Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en tiempo real. Estos datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que permitan una lectura más fácil de interpretar.

 Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.

 Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y reportarlo estos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en límites de control pre-establecidos.

-23-

 Históricos. Es la capacidad de mostrar y almacenar en archivos, datos del proceso a una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es una poderosa herramienta para la optimización y corrección de procesos.

Existen tres puntos de vista distintos en una HMI: el del usuario, el del programador y el del diseñador. Cada uno tiene un modelo mental propio de la interfaz, que contiene los conceptos y expectativas acerca de la interfaz, desarrollados a través de su experiencia.

 Modelo del usuario. El usuario tiene su visión personal del sistema, y espera que éste se comporte de una cierta forma, que se puede conocer estudiando al usuario (realizando pruebas de usabilidad, entrevistas, o a través de una realimentación). Una interfaz debe facilitar el proceso de crear un modelo mental efectivo.

 Modelo del programador. Es el más fácil de visualizar, al poderse especificar formalmente. Está constituido por los objetos que manipula el programador. Estos objetos se deben esconder del usuario. Los conocimientos del programador incluyen la plataforma de desarrollo, el sistema operativo, las herramientas de desarrollo, especificaciones. Sin embargo, esto no significa necesariamente que tenga la habilidad de proporcionar al usuario los modelos y metáforas más adecuadas.

 Modelo del diseñador. El diseñador mezcla las necesidades, ideas, deseos del usuario y los materiales de que dispone el programador para diseñar un producto de software. Es un intermediario entre ambos. El modelo del diseñador describe los objetos que utiliza el usuario, su presentación al mismo y las técnicas de interacción para su manipulación.

El modelo tiene tres partes: presentación, interacción y relaciones entre los objetos.

 Presentación: es lo que primero capta la atención del usuario, pero más tarde pasa a un segundo plano. La presentación no es lo más relevante, y un abuso en la misma (por ejemplo, en el color) puede ser contraproducente, distrayendo al usuario.

 Interacción: a través de diversos dispositivos que utiliza el usuario.

-24-

Estrategia de Control y

Monitoreo

CAPÍTULO

2.1 Análisis del Sistema de Lubricación

La propuesta del control comprende desde el desarrollo de un DTI del proceso en el cual se puede encontrar la instrumentación adecuada para el control y el monitoreo del proceso, hasta la propuesta del diagrama de bloques de la estrategia de control.

En la Figura 2.1-1 se observa el DTI del proceso antes de que se determine una estrategia de control que permita el control del sistema de enfriamiento de aceite del barco.

Las variables a controlar en el sistema de enfriamiento del aceite de barco son la temperatura del aceite y el flujo de agua requerida para lograr el intercambio de calor.

Se define que la variable controlada es la temperatura del aceite y la variable manipulada es el flujo de agua de mar que pasa a través de la carcasa del intercambiador de calor.

-25-

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN DT-001

PROCESO ORIGINAL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

ELABORADO POR:

PÉREZ ROSAS JOSE ANTONIO VARGAS PÉREZ TANIA JANETT VENEGAS ANGELES JOSE EDUARDO

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2.2 Determinación de Parámetros de Control en el Intercambiador de Calor

Sabiendo el flujo de aceite que se debe enfriar, las temperaturas y las presiones a las que trabaja el sistema, se realiza un balance de energía con el cual determinaremos el flujo de agua de mar que deberá pasar por la carcasa del intercambiador de calor para enfriar determinada cantidad de aceite. Esto se obtiene conociendo el flujo de calor que se debe transferir del aceite al agua de mar mediante un balance de energía.

2.2.1 Balance de Energía

La energía en un sistema se puede transportar a través de las fronteras en forma de calor y en forma de trabajo, en nuestro proceso la energía se transporta en forma de calor. La ecuación 2.2.1-1 expresa el calor que existe en un cuerpo.

2.2.1-1

Dónde:

Teniendo en cuenta que el calor transferido al fluido frio, menos el calor transferido al fluido caliente es igual a cero y que las pérdidas en el sistema son despreciables, entonces se establece que:

-27-

Dónde:

Sustituyendo la ecuación 2.2.1-1 en la ecuación 2.2.1-2 obtenemos:

De la ecuación 2.1.1-3 el parámetro a calcular es el flujo másico de agua de mar, por lo que se hace un despeje de dicho parámetro, mostrado en la ecuación 2.1.1-4

Debido a que cuando se tienen los cuatro Motores Diesel en operación el volumen de aceite que ingresa al intercambiador de calor es aproximadamente de

, el cual debe ser

-28-

Tabla 2.2.1-1 Parámetros de los fluidos

La variación de temperatura de agua de mar ( ) se determinó tomando en consideración que la temperatura del agua ingresa a una temperatura de 15°C y saldrá a 60°C. La variación de temperatura del aceite ( ) se establece sabiendo que el aceite entra a 93°C y sale a 63°C.

Sustituyendo los valores de los parámetros requeridos de la tabla 1 en la ecuación 2.2.1-4 se obtiene:

-29-

Figura 2.2.1-1 Diagrama de entradas y salidas al intercambiador de calor

2.2.2 Función de Transferencia del Intercambiador de Calor

Los procesos que se describen mediante una ecuación diferencial de primer orden se denominan procesos de primer orden, algunas veces también se conocen como sistemas de capacitancia única, porque la función de transferencia es del mismo tipo que la descrita por un sistema eléctrico con una resistencia y un capacitor.

La función de transferencia que relaciona la temperatura _�(s) a la salida con respecto a la variación del flujo de calor H(s) a la entrada se obtiene mediante:

2.2.2.-1

Dónde:

-30-

Los parámetros R y C están dados por la ecuación 2.2.2-2 y 2.2.2-3 respectivamente.

2.2.2-2

Entonces, para calcular el cambio en el flujo de calor se emplea la ecuación 2.2.1-1, obteniéndose lo siguiente:

Tomando en cuenta que 1 Joule es igual a 0.23900574 Cal, se realiza la conversión de KJ a Kcal para utilizarlos en las formulas 2.2.2-2 y 2.2.2-3.

-31-

Una vez realizados los cálculos para la obtención de los parámetros anteriores, se determina que es la constante de tiempo del sistema.

Dado:

2.2.2-4

Se determina lo siguiente:

Sabiendo que es la duración de un transitorio, es decir, el tiempo de respuesta del sistema ante una variación de temperatura.

-32-

2.2.2-5

2.2.3 Modelo de la Válvula de Control

La mayoría de las válvulas de control operan por medio de un actuador de posición lineal o alguna modificación de este tipo de actuador. Estos actuadores responden a una señal proveniente del controlador para modificar su posición.

Una válvula neumática siempre tiene algún retraso dinámico, el cual hace que el movimiento de la válvula no responda instantáneamente a la presión aplicada por el convertidor, el cual recibe la señal del controlador. Una válvula lineal a menudo puede representarse por una función de transferencia de primer orden; esto es:

Dónde:

= Variable manipulada

= Señal del controlador

= Constante del tiempo de la válvula

Debido a que la respuesta de la válvula es casi instantánea se propone una 0.1 segundo, por lo que la función de transferencia de la válvula de control queda de la siguiente manera:

-33-

2.3 Propuesta de la Estrategia de Control

Propuesta 1

 Control por Acción Pre-calculada (feedforward)

Esta estrategia de control que se analizó porque aprovecha la información a priori para el control del proceso, lo cual permite corregir el error antes de que se presente, considerando perturbaciones tales como la temperatura del agua de mar y el cambio de flujo de aceite a la entrada del intercambiador de calor.

Sin embargo esta estrategia de control es eficiente solo cuando el proceso consta de varias etapas, lo cual no ocurre con este proceso. Además el costo se eleva debido a que se requiere más instrumentación en el proceso. Debido a lo anterior esta estrategia de control no es la más eficiente para controlar dicho sistema.

Propuesta 2

 Control en Cascada

Se consideró esta estrategia de control principalmente porque ayuda a eliminar las perturbaciones que afectan al sistema y porque mejora la dinámica del lazo de control.

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Propuesta 3

 Control Retroalimentado (Feedback)

Debido a que la acción correctiva se lleva a cabo tan pronto como la variable controlada se desvía del set-point, y dado que el tiempo de respuesta del proceso es rápido, el error es corregido con la misma velocidad. Además es una estrategia de control económica debido a la poca instrumentación que se requiere en campo. En conjunto con un controlador PID se logra un control versátil y robusto, por esto, es la estrategia de control más viable.

En el siguiente diagrama de tuberías e instrumentación se propone el control retroalimentado para el sistema de enfriamiento del proceso de lubricación de los Motores Diesel.

2.3.1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación

-35-

DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN DT-002

PROCESO ORIGINAL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON MODIFICACIONES PARA

APLICACIÓN DE CONTROL ELABORADO POR:

PÉREZ ROSAS JOSE ANTONIO VARGAS PÉREZ TANIA JANETT VENEGAS ANGELES JOSE EDUARDO

Figura 2.3-1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación del sistema de enfriamiento de aceite lubricante

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

-36-

2.4 Propuesta de la Estrategia de Monitoreo

Anteriormente no se le daba importancia a los equipos en contacto con el agua de mar debido a que el mantenimiento resultaba costoso ya que no se sabía con exactitud la frecuencia con la que debía darse dicho mantenimiento, por ello, cuando el equipo de intercambio de calor estaba sumamente incrustado de residuos de sal o microorganismos marinos, simplemente era remplazado por uno nuevo. Hoy en día con los cambios climáticos que se han presentado, se ha convertido en una tarea importante el monitoreo del equipo para garantizar que funcione el tiempo que se requiere y así evitar el constante reemplazo de equipos.

Dada las condiciones anteriores se plantea el uso de una HMI y una nueva estrategia de control para el sistema de enfriamiento para observar el comportamiento del sistema que enfría el aceite que lubrica al motor.

La HMI nos permite visualizar las fallas que se presenten en el intercambiador de calor y permitir dar un mantenimiento preventivo o correctivo que permita que el equipo funcione correctamente el tiempo necesario además de que se evita la constante compra de equipos de intercambio de calor.

La propuesta que se presenta es la de utilizar un software que nos permita tener un entorno grafico en el que se muestren las variables del sistema y su comportamiento en tiempo real. Además de que se plantea el uso de una HMI PC + Software que le ofrece al operario desde el ambiente grafico hasta el elemento que permitirá la visualización desde el cuarto de control. Uno de los softwares que nos permite el desarrollo de ambientes gráficos fácilmente accesibles al operador es LabView de National Instruments.

2.4.1 Mejora de los Ciclos Operativos del Intercambiador de Calor

Se instalaran las siguientes alarmas en el ambiente de la HMI:

 PAH (Alarma por alta Presión)

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 TAH (Alarma por alta Temperatura)

 TAL (Alarma por baja Temperatura)

Estas alarmas llaman la atención del operador para que se realicen las inspecciones correspondientes por alguna irregularidad en el equipo. Para esto se determinaron valores específicos en los que debe permanecer operando el intercambiador de calor. Los valores especificados son los que ya se conocen de la operación del proceso, y cuando estos valores no están dentro de los rangos especificados, las alarmas advierten al operador que existe una anomalía.

Los operadores deben llenar hojas de especificaciones con los valores que se observan en la HMI de manera periódica para tener históricos de comportamiento de las variables del sistema, en las que se destaquen los siguientes puntos:

 Presiones de operación (máximas y mínimas)

Los datos de la operación máxima y mínima serán los valores de operación que se presenten a diario en la pantalla de la estación del operario (cuando esta trabajando el equipo).

 Temperaturas de operación ( máximas y mínimas)

La temperatura de operación también será la que se registre a diario en la pantalla de la estación del operario.

 Horas de uso del equipo

 Realizar una comparación de los valores que muestran las alarmas con los valores normales de operación.

 Mantenimientos previos

Llevar a cabo los programas de mantenimiento preventivo que fueron determinados por el fabricante del intercambiador de calor y revisar si ya se ha realizado previamente.

-38-

-39-

Instrumentación y Equipos

CAPÍTULO

3.1 Selección de Instrumentación

La instrumentación debe estar especificada de modo que aseguren la adecuada operación del proceso.

Transmisores

El transmisor de temperatura y los transmisores de presión se eligieron de acuerdo a lo siguiente:

 Ubicación del equipo

Se especificó al fabricante del transmisor de su uso en agua de mar para que el equipo fuera tropicalizado (protegido con aislamientos en su estructura interna).

 Temperaturas de operación

En el trasmisor están incluidos los sensores que están en contacto directo con el fluido del proceso por lo cual se especifican las temperaturas y presiones de operación máximas y mínimas correspondientes para asegurar la funcionabilidad del sensor y su durabilidad.

-40-

En el caso del sensor de temperatura se debe considerar, el tipo del sensor, su diámetro, la construcción de la vaina y el calentamiento propio en el sensor.

La selección se hizo entre el Termopar tipo J y el sensor RTD y se determinó un Termopar tipo J porque cumple con los rango de operación que se requieren, tiene una buena resistencia al agua de mar, además de que en caso de avería, los termopares presentan un calentamiento inferior que una termorresistencia (RTD) lo cual se toma en cuenta como medida de seguridad en caso de una falla.

 Fácil manejo

Deben ser accesibles para ser calibrados, aplicar mantenimiento y facilitar la toma de lecturas.

Características del Transmisor de Temperatura

• Transmisor de temperatura, programable por PC

• Rango de medición: -200 a +1200 °C

• Aplicación: RTD, Termopar, Ohm, mV De 2 hilos 4-20mA, aislamiento galvánico

Figura 3.1-1 Transmisor de temperatura

Características del Transmisor de Presión

• Sensor: Membrana cerámica

• Conexión al proceso: Todas las versiones de hilo conductor y Bridas, versión higiénica

• Lapso en el bar / psi: 5mbar - 40bar 0.075psi - 600psi

-41-

Figura 3.1-2 Transmisor de presión

Características del Transmisor de Presión Diferencial

• Sensor: sondas piezoresistivas

• Conexión al proceso: bridas

• Lapso en el bar / psi: 5mbar - 16 bar 0.075psi - 240psi

• Temperatura de proceso: -40 ° C hasta 400 ° C -56 ° F a 752 ° F

-42-

Características del Termopar tipo J

• Para atornillar Vaina ACC. DIN 43772/2G 3 G

• Tipo J (Fe-Cu Ni) Rango: -40 a 750 ° C (-40 a 1382 ° F)

Figura 3.1-4 Termopar tipo J

Válvulas

Se seleccionó la válvula de control de tipo globo, debido a que proporciona una buena regulación del flujo.

Para la selección de válvulas usadas en el bypass, se determinaron de dos tipos: compuerta y globo. Las válvulas de compuerta se encuentran en los extremos de la válvula de control, y la válvula de globo es la que se ubica en la línea de recirculación del flujo.

-43-

Todas las válvulas se seleccionaron de acuerdo a los siguientes criterios:

 Posición de falla (Para la válvula de control)

Aquí se determina que hará la válvula en caso de falla eléctrica. La válvula que se ha seleccionado es una válvula Falla Cerrada la cual se cerrara en caso de falta de energía para asegurar que la entrada de agua al sistema de enfriamiento no se acelere y pueda dañar los equipos siguientes a la válvula de control.

 Tipo de Fluido

En base al tipo de fluido que se maneja en el proceso se debe seleccionar también una válvula que resista los ambientes a los que será expuesta como en el caso de agua de mar y por lo cual se especificó su fabricación en Acero Inoxidable.

 Condiciones de operación

Se debe especificar tanto la temperatura como la presión máxima en las que se encontraran las válvulas para evitar fallas por alta presión. Así el proveedor indica las condiciones de diseño de las válvulas:

- Capacidad máxima y mínima de presión - Capacidad máxima y mínima de temperatura

 Materiales para empaquetadura

Los materiales de empaquetadura que provee la válvula son TFE y disulfuro de molibdeno para reforzar el empaque para lograr un sellado más eficiente y evitar fugas a la superficie del vástago.

 Diámetro

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Características de la Válvula de Control

• Temperatura de operación: -10°C a 180°C

• Forma de cuerpo 2/2 Vías

• Presión máxima: 7 bares

• Diámetro Nominal: 3” • Viscosidad máxima: 600 Cst

• Temperatura ambiente: 60 °C

Figura 3.1-6 Válvula de control

Características de la Válvula de Compuerta Manual

• Diámetro nominal: 3” • Material: Acero inoxidable

• Presión Max: 10 Bar

• Temperatura máx.: 200°C

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Características de la de Globo Válvula Manual

• Diámetro nominal: 3” • Material: Acero inoxidable

• Presión Max: 10 Bar

• Temperatura máx.: 200°C

Figura 3.1-8 Válvula de globo manual

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Para conocer todos los instrumentos que participan en el control del proceso y en el monitoreo se realiza un índice de instrumentación en base al Diagrama de Tuberías e Instrumentación DT002 donde se especifica la localización de cada uno de los instrumentos

Nº TAG Descripción del instrumento Servicio Localización Nº Tubería Nº DTI

PIT 001 Transmisor indicador de presión Agua de mar Campo 3”-AM-001-036A DT002

PI 001 Indicador de presión --- Sistema DT002

PAH 001 Alarma por alta presión --- Sistema DT002

PAL 001 Alarma por baja presión --- Sistema DT002

TCV 001 Válvula controladora de temperatura Agua de mar Campo 3”-AM-001-036A DT002

TY 001 Convertidor I/P Agua de mar Campo 3”-AM-001-036A DT002

TC 001 Controlador de temperatura Agua de mar Campo 3”-AM-001-036A DT002

TIT 001 Transmisor indicador de temperatura Agua de mar Campo 3”-AM-004-036A DT002

TE 001 Sensor de temperatura Aceite de lubricación Campo 3”-AM-004-036A DT002

TI 001 Indicador de temperatura --- Sistema DT002

TAH 001 Alarma por alta temperatura --- Sistema DT002

TAL 001 Alarma por baja temperatura --- Sistema DT002

PDIT

001 Transmisor indicador de presión diferencial Agua de mar Campo 3”-AM-002-036A DT002

PI 002 Indicador de presión Sistema DT002

PAH 002 Alarma por alta presión --- Sistema DT002

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3.2 Selección de Equipo

Controlador

Para seleccionar un controlador es importante saber el tipo de entradas y salidas que se tienen en el proceso.

Criterios de selección del controlador

 Analizar el número de entradas y salidas que se requiere que tenga el controlador. Tabla 3.2-1 Listado de entradas y salidas del controlador

NO. TAG DESCRIPCIÓN Nº DTI ENTRADA/S

ALIDA

TIPO DE SEÑAL

VALOR DE LA SEÑAL

TIT 001 Transmisor indicador

de temperatura DT002 Entrada Analógica 4-20 mA

TY 001 Transductor de

temperatura DT002 Salida Analógica 4-20 mA

El listado nos da una pauta para la búsqueda del equipo más adecuado y un vez que se determina el número de entradas y salidas del controlador se puede establecer en este caso el tipo de PLC que se requiere.

 Spert

El Spert es el espacio extra que se le deja al equipo en caso de ampliaciones futuras al proceso y en este caso se propone un Spert de 2. Por lo general se adiciona un porcentaje de entradas y salidas al PLC para ampliaciones futuras o modificaciones en el proceso. Entonces lo que se determina que se requiere un controlador que como mínimo tenga 3 entradas analógicas y 3 entradas digitales.

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Tabla 3.2-2 Especificaciones generales del PLC SLC 500-5/03

Fuente de alimentación

Modelo Voltaje de entrada Rango de voltaje de entrada Frecuencia Corriente de entrada máxima Corriente de salida Rango de salida de voltaje

1746-P2 120 o 220

V AC 85-220 V AC 47 – 63 Hz 20 A

0.2 A @ 24V

DC 18-30 V DC

Procesador SLC 500-5/03

Modelo Tamaño de memoria (palabras) I/O digitales máximas Comunicaciones incorporadas Tiempo de escán típico Opción de modulo e memoria Programación

1747-L532 16 K 8192 DH-485 y RS-232 1 ms/K

Flash

EEPROM RSLogix 500

Chasis para módulos

Modelo

Número de ranuras

Dimensiones Peso

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Tabla 3.2-3 Especificación de los módulos de entrada y salida analógicas del PLC SLC 500-5/03

Módulos de I/O analógicas

Descripción Modelo Número de

Entradas/Salidas Resolución (bit) Módulo de entradas analógicas

1746-NI4 4 entradas (± 10V

DC, ± 20 mA) 16

Módulo de salidas analógicas

1746-NO4I 4 salidas (0 mA-20

mA) 14

Tabla 3.2-4 Especificación de los módulos de entrada y salida digitales del PLC SLC 500-5/03

Intercambiador de Calor

El intercambiador de calor se encuentra ya en el proceso, por tal motivo solo se dan las especificaciones.

Módulos de I/O digitales

Descripción Modelo Número de

Entradas/Salidas

Resolución (bit)

Módulo de entradas

digitales 1746-IM16 16 16

Módulo de salidas a

-50-

Figura 3.2-1 Intercambiador de calor

Tabla 3.2-5 Especificaciones de dimensiones del intercambiador de calor

SERIAL MODELO A Lu B C D E F G H ɸ ɸ

mm Pulgadas

-51-

Aplicación de Control y de

Sistema de Monitoreo

CAPÍTULO

4.1 Control para el Sistema de Enfriamiento

Después de que se analizaron varias propuestas para el control del sistema de enfriamiento de aceite se determinó utilizar el control por retroalimentación que resultó ser el más sencillo pero eficiente para este proceso.

4.1.1 Control por Retroalimentación

En la figura 4.1.1-1 se muestra el diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado, donde se indican los elementos principales con los que cuenta dicho sistema: planta, controlador y sensor.

Figura 4.1.1-1-Diagrama de bloques del sistema

-52-

Para la simulación del proceso se utiliza el software Simulink de MATHLAB, el cual se construye mediante un diagrama de bloques.

Figura 4.1.1-2 Diagrama de bloques construido en Simulink

Planta

-53-

Figura 4.1.1-3 Bloque de planta a 15°C y 4 motores operando

Debido a que el agua de mar tiene una variación que va de los 15°C a los 30°C, y el parámetro R varía de acuerdo a la cantidad de motores que se encuentran en operación, se tiene la siguiente tabla 4.1.1-1

Tabla 4.1.1-1 Valores de Tau y R

Constante

Motores en Funcionamiento

1 Motor 2 Motores 3 Motores 4 Motores

15 °C 30° C 15 °C 30° C 15 °C 30° C 15 °C 30° C 0.4444 0.6666 0.4444 0.6666 0.4444 0.6666 0.4444 0.6666

-54-

Para llevar a cabo la simulación, los valores de y R son sustituidos en el denominador y numerador respectivamente de la función de transferencia del intercambiador de calor, de acuerdo a las condiciones requeridas, como se muestra en la figura 4.1.2-3.

Figura 4.1.1-4 Cuadro de parámetros de la función de transferencia

Medición.

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Figura 4.1.1-5 Bloque de medición

Control

Dentro del bloque del control se ubica una conversión de °C – mA como en el bloque anterior pero esto con respecto al set point, posteriormente se ubica un punto suma donde se enlaza con la señal de retroalimentación de la medición. Este realiza una comparación de la señal medida con el set point para determinar el error, y en caso de que se presente dicha diferencia el PID se encarga de corregir esa desviación, en seguida se tiene un bloque de saturación el cual solo permite una señal de corriente, con un rango de 4 – 20 mA.

Posteriormente se realizan 3 conversiones: de mA a PSI, de PSI a % de apertura y por ultimo de % a litros de agua. Y al final la ecuación de la válvula de control.