ESCUELA SUPER
UNIDAD P
DEPARTAMENTO DE
PROPUESTA DE CO
QU
INGENIER
IVO
MÉXICO, D.F. AGOSTO
PERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRI
D PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
O DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZ
CONTROL DE UNA TURBINA DE GAS DID
DE DOBLE FLECHA
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
NIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTAN
IVONNE ELIZABETH GOROSPE RIOS
KEVIN DAVID JIMÉNEZ REYES
ASESORES DE TESIS
M. en C. RENE TOLEN
ING. FRANCISCO JAVIER AP
F. AGOSTO 2011
TRICA
TIZACIÓN
IDÁCTICA
NE TOLENTINO ESLAVA
todo este tiempo, porque si él en mi vida nada de esto se hubiera realizado. En él esta la sabiduría y la verdad. Gracias Jesús por morir por mí en la cruz y regalarme vida eterna.
Gracias a mi familia por todas sus oraciones, ejemplo y apoyo. A mi mamá Carolina por animarme siempre, motivarme y ayudarme con los recursos para poder estudiar. A mi papá Ignacio por su comprensión, ánimo, por llevarme a la escuela y su apoyo para realizar trámites. A mi hermana Betsabé por compartir conmigo el don de inteligencia que Dios le ha dado, por animarme. A la familia Gorospe Mercado por su apoyo constante y por sus palabras de aliento.
A Kevin mi compañero de tesis, por su paciencia, dedicación y comprensión durante todo este proceso. Gracias por aguantarme en mis momentos más desesperantes, gracias por tus ideas y tu ánimo. Gracias también a la hermana Conny y su esposo por orar por nosotros y permitirnos trabajar en su casa. Dios le bendiga grandemente.
Gracias al M. en C. René Tolentino Eslava por todo el tiempo que nos dedico al realizar esta tesis, por su paciencia, guía, por su palabras de aliento y desafíos. Deseo que siga inspirando e impulsado a otros jóvenes como lo hiso con nosotros. Al Ingeniero Francisco J. Aparicio por su apoyo y soporte.
A todos mis amigos, a Hugo mi novio porque siempre tenía palabras de apoyo aunque el panorama no fuera el más agradable, a Perla, Lalo, Baldo, Emmanuel, Gil, Juan y Judith. Por los Compas Mario, Samuel, Orlando, Edgard, Alf, Elda, Elia, Luis y los hermanos de la iglesia por sus oraciones y sus palabras de ánimo.
A todos aquellos que oraron y nos ayudaron de alguna manera para llegar a la meta les agradezco, los quiero.
Ivonne E. Gorospe Ríos.
esfuerzos y apoyo incondicional, también a mi hermana Karen Jiménez por sus consejos. Este logro les pertenece a ustedes, los amo.
Agradezco a él M. en C. René Tolentino E. por sus largas horas de asesorías.
Agradezco a mi institución…el IPN.
A todos y cada uno de ustedes les agradezco de todo corazón, porque sin ustedes este logro no sería posible Dios le bendiga en extremo.
RESUMEN ... i
INTRODUCCION ... ii
OBJETIVO ... iii
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TURBINAS DE GAS ... iii
1.1 TURBINAS DE GAS ... 2
1.1.1 COMPRESORES ... 3
1.1.2 CÁMARA DE COMBUSTIÓN ... 4
1.1.3 TURBINA ... 5
1.2 CICLO BRAYTON ... 7
1.2.1 CICLO ABIERTO ... 8
1.2.2 CICLO CERRADO ... 9
1.3 CONTROL DE TURBINAS DE GAS ... 10
1.3.1 CONTROL ANALÓGICO ... 12
1.3.2 CONTROL BINARIO ... 13
CAPÍTULO II TURBINA DE GAS DE DOBLE FLECHA CUSSONS P9005 ... 15
2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA TURBINA ... 16
2.2 ESPECIFICACIONES E INSTALACIÓN DE LA TG ... 18
2.3 SISTEMAS DE LA TURBINA DE GAS ... 19
2.3.1 SISTEMA DE INICIO ... 20
2.3.2 SISTEMA DE IGNICIÓN ... 20
2.3.3 SISTEMA DE CARGA DE LA TURBINA DE POTENCIA ... 21
2.3.4 SISTEMA DE LUBRICACIÓN ... 22
2. 4 INSTRUMENTACIÓN DE LA TURBINA DE GAS ... 23
2.4.1 SISTEMA DE CARGA DE LA TURBINA POTENCIA ... 27
2.4.2 SISTEMA DE LUBRICACIÓN ... 30
2.5 OPERACIÓN ... 30
2.5.1 ARRANQUE O INICIO ... 30
2.5.2 LIMITACIONES DE OPERACIÓN ... 32
2.5.3 PARO ... 32
2.7 DTI ACTUAL DE LA TURBINA DE GAS ... 33
2. 8 DIGRAMA DE FLUJO DE PROCESO ... 35
CAPITULO III SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN ... 37
3.1 VARIABLES DE CONTROL ... 39
3.1.1 TEMPERATURA. ... 39
3.1.2 FLUJO ... 41
3.2 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL ... 45
3.2 OTROS ELEMENTOS ... 49
3.3.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN ... 49
3.3.2 BOTÓN PULSADOR ... 50
3.4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE ... 50
CAPÍTULO IV PROPUESTA DE CONTROL ... 55
4.1 DIAGRAMA DE TUBERIA E INSTRUMENTACIÓN ... 56
4.2 ALGORITMOS DE CONTROL ... 58
4.3 PROGRAMACIÓN ... 61
4.3.1 CONTROL DE PRESIÓN ... 62
4.3.2 CONTROL DE FLUJO ... 63
4.3.3 PARO DE PROTECCIÓN ... 64
4.3.4 E/S EN EL CONTROLADOR ... 65
4.4 COSTOS DE LA PROPUESTA ... 67
4.4.1 COSTO DE INSUMOS... 67
4.4.2 COSTOS DE INGENIERÍA ... 69
4.4.4 INVERSIÓN TOTAL ... 70
CONCLUSIONES ... 72
BIBLIOGRAFÍA ... 75
ANEXO ASIMBOLOGÍA Y GRÁFICAS ... 77
ANEXO B ESPECIFICACIONES DE INSTRUMENTOS ... 80
i
RESUMEN
Se desarrolló una propuesta para el control de la secuencia de arranque, paro y paro de emergencia de la turbina de gas didáctica de doble flecha de la carrera de Ingeniería en control y automatización en el laboratorio B9 de laboratorio pesado de la ESIME Unidad Profesional Adolfo López Mateos. Este control efectuara la de forma segura y automática dichas secuencias, sin que el operador tenga que realizar los pasos indicados en el manual de la turbina.
Se selecciono la instrumentación adecuada para llevar a cabo el control. Se elaboraron los diagramas de tuberías e instrumentación, programación del PLC y diagramas a bloques que en su conjunto permiten la elaboración de la propuesta de control. Esta propuesta se desarrollo por medio de estrategias de control para regular las variables a controlar para el arranque, puesta en marcha y paro de la turbina de gas.
ii
INTRODUCCION
En la generación de energía eléctrica se emplean principalmente turbinas de gas y turbinas de vapor. Las turbinas de gas (TG) han adquirido gran importancia, debido a que son capaces de desarrollar elevadas potencias con una buena relación tamaño/potencia; por esta razón otras aplicaciones de las turbinas de gas son en la aeronáutica y en las flotas navales del mundo occidental.
El control de las turbinas de gas ha sido una de las mejoras que con el paso del tiempo se han implementado, en arranque y paro de la turbina, control de la velocidad, monitoreo de vibraciones, etc. Para realizar el control se emplean Controladores Lógicos Programables (PLC’s), equipos con basta aplicación al control industrial.
Hoy en dia existen turbinas de gas, a las que no se les ha implementado un sistema de control y son operadas de manera manual, produciendo pérdidas de calor y de energía que se traducen en pérdidas económicas. Además del riesgo que corren los operadores de éstas debido a que están expuestos a las temperaturas y presiones con las que trabaja la turbina.
En los Laboratorios Pesados 1 de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional Adolfo López Mateos pertenecientes a la carrera ICA, se cuenta con una Turbina de Gas de 4 kW de potencia, utilizada con fines didácticos. Dicha turbina cuenta con un control manual lo que provoca que no se aprovechen al máximo para fines didácticos de los alumnos de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización.
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OBJETIVO
Proponer el sistema de control secuencial de arranque y paro de una turbina de gas mediante un PLC.
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1.1 TURBINAS DE GAS
Una turbina de gas es un motor que utiliza el flujo de un gas como flujo de trabajo, para convertir energía térmica en energía mecánica. Las turbinas de gas (TG) se caracterizan por presentar una baja relación peso potencia y una velocidad de giro elevada. Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica.
Cuando se emplean en propulsión de aviones, la turbina de gas produce la potencia suficiente para accionar el compresor y un generador eléctrico que alimenta el equipo auxiliar. Los gases de escape a velocidad alta son los que generan el empuje necesario para mover la aeronave. Las turbinas de gas también se utilizan en centrales estacionarias que producen energía eléctrica. Las centrales eléctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de generación eléctrica en emergencias y durante periodos picos debido a su bajo costo y tiempo de respuesta rápido.
Las turbinas de gas también se utilizan con las centrales eléctricas de vapor en el lado de temperatura alta, formando un ciclo combinado. En estas plantas, los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas también puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en centrales nucleoeléctricas. Esta vez el fluido de trabajo no se limita al aire, y puede emplearse un gas con características más convenientes como el helio.
La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental utilizan motores de turbinas de gas para propulsión y para la regeneración de energía eléctrica. Comparadas con la turbina de vapor y los sistemas de propulsión diesel, la turbina de gas presenta mayor potencia para un tamaño y pesos determinados, confiabilidad alta y vida útil larga. El tiempo de arranque de la turbina de gas ha sido reducido de las 4 horas requeridas de un sistema de propulsión típico a menos de 2 minutos para una turbina de gas.
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1.1.1 COMPRESORES
Los compresores, así como las bombas y los ventiladores, son dispositivos útiles para aumentar la presión de un fluido. El trabajo es suministrado a estos dispositivos por una fuente externa mediante un eje rotatorio. Una vez que el gas se comprimió es enviado a la cámara de combustión. En general existen dos tipos de compresores los centrífugos y los de flujo axial. A continuación se describe el principio de funcionamiento de cada uno de ellos.
El compresor centrífugo (Fig. 1.1) consiste de una carcasa fija que contiene en su interior un rodete que al girar imprime una gran velocidad al aire, más una serie de conductos divergentes fijos en los cuales el aire se desacelera con el consiguiente aumento de la presión estática. Este último proceso es una difusión y en consecuencia la parte del compresor que comprende dichos conductos divergentes se le conoce como difusor.
Figura 1.1 Partes de un Compresor Centrífugo.
Las ventajas del compresor centrífugo son que ocupa un espacio menor que el compresor axial equivalente y que su comportamiento no se ve afectado por la acumulación de depósitos en las superficies de los canales de aire al trabajar en una atmosfera contaminada y es capaz de funcionar con un buen rendimiento dentro de un amplio margen de gastos másicos para cualquier velocidad de giro.
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Este proceso se lleva a cabo en una serie de pasos o escalonamientos. El flujo del gas es paralelo al eje del compresor y no cambia de sentido como en los compresores centrífugos.
Figura 1.2 Compresor de Flujo Axial.
La carga por etapa del compresor axial es menor (aproximadamente la mitad) que la de un tipo centrífugo, por ello la mayor parte de estos son de cierto número de etapas en serie. Cada etapa consta de álabes rotatorios y fijos. En un diseño de reacción de 50%, la mitad del aumento de la presión ocurre en las aspas del rotor, y el restante en las aspas del estator.
1.1.2 CÁMARA DE COMBUSTIÓN
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Figura 1.3 Cámara de Combustión de gas Industrial.
Algunos combustibles líquidos empleados en las cámaras de combustión son: JP-5, Keroseno, Diesel No.1, AceiteCombustible Grado 1 y 2, Diesel #.2. Una alternativa es el uso de combustibles de temperatura alta y viscosidad baja por ejemplo: Gas Natural Líquido, Gas Licuado de Petróleo, Gasolina, Nafta.
1.1.3 TURBINA
La turbina es un motor basado en la rotación de una rueda con álabes curvados, colocados en su periferia que recibe el impacto de una corriente de vapor, gas o agua (Fig. 1.4). En las turbinas de gas el fluido es el gas proveniente de la cámara de combustión y está diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica de rotación.
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Figura 1.4 Turbina de Gas.
Existen diferentes variantes de la estructura clásica de una turbina de gas (compresor, cámara de combustión y turbina de potencia), y son consecuencia de la adición de varios componentes de entrada y salida al generador de gas. En las aplicaciones industriales donde se requiere obtener potencia se tienen dos tipos de disposiciones mecánicas:
Turbinas de un solo eje.
Turbinas de doble eje o eje partido.
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Figura 1.5 Turbina de un solo eje.
Las turbinas de doble eje (Fig. 1.6) son turbinas de gas en las que se distinguen dentro de la misma turbina, dos unidades, la generadora de gas que se forma con un compresor, la cámara de combustión y una turbina que extrae la potencia necesaria para mover el compresor. La otra unidad es la de potencia, formada por otra turbina de expansión que finaliza el proceso de los gases obteniendo la potencia útil. Esta estructura es adecuada para el accionamiento directo de maquinaria.
1.2 CICLO BRAYTON
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Figura 1.6 Turbina de doble eje.
1.2.1 CICLO ABIERTO
El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir la energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. A continuación se muestra el ciclo Brayton en su modalidad de ciclo abierto (Fig. 1.7).
Figura 1.7 Ciclo Abierto de una Turbina de Gas.
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forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia la atmósfera lo que provoca que el ciclo sea abierto.
Los diagramas de propiedades P-v (Presión-Volumen) y T-s (Temperatura-Entropía) que se muestran en la Figura 1.8 se emplean para el análisis de los procesos termodinámicos. Tanto en los diagramas P-v como en los T-s, el área encerrada en las curvas del proceso de un ciclo representa el trabajo neto producido durante el ciclo, lo cual es equivalente a la transferencia de calor neta del ciclo.
Figura 1.8 Diagramas de Presion-Volumen y Temperatura-Entropia del Ciclo Joule- Brayton.
En estos diagramas se pueden observar los procesos y estados del ciclo Brayton donde, de 1-2 en el compresor se tiene una compresión adiabática (aislada térmicamente) del aire y mientras sucede esto la entropía permanece constante y el volumen disminuye. Después a la salida del compresor y a la entrada de la cámara de combustión (2-3) comienza la aportación de calor a presión constante (aumento de temperatura) y se da lugar a la combustión de la mezcla de aire y combustible. Por último en la turbina (3-4) tiene lugar la expansión adiabática de los gases produciendo potencia.
1.2.2 CICLO CERRADO
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Figura 1.9 Ciclo Cerrado de una Turbina de gas.
Este ciclo está integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2 compresión isentrópica (en el compresor), 2-3 Adición de calor a presión constante, 3-4 Expansión isentrópica (en la turbina), 4-1 Rechazo de calor a presión constante.
En este ciclo los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa (fluido auxiliar) en la cámara de combustión. En el proceso de escape no hay descarga hacia la superficie sino que los gases son redirigidos para ser enfriados antes de vuelvan a entrar al compresor.
1.3 CONTROL DE TURBINAS DE GAS
11
La posibilidad de realizar un análisis más eficaz de las señales y la correlación con efectos mecánicos es una ventaja adicional de las técnicas modernas de sistemas de información. Las turbinas de gas modernas han supuesto un gran reto tecnológico desde el punto de vista de la ciencia de los materiales y de los procesos termodinámicos. Por ello, la supervisión y el control electrónico se han convertido en una herramienta fundamental para garantizar el funcionamiento óptimo de los equipos.
Básicamente, el sistema de control ejecuta las secuencias de arranque y paro, el control de velocidad, potencia, temperatura y las funciones de protección (en la Fig.1.10 se muestra un ejemplo de una HMI - Interfaz Hombre-Máquina- de una turbina de gas). Las secuencias de arranque y paro consisten de una serie compleja de eventos en donde cada paso debe ser completado satisfactoriamente antes de que inicie el siguiente. Los algoritmos de control de velocidad deben ser completados en poco tiempo porque la planta tiene una respuesta muy rápida a los cambios en sus entradas. El control de la potencia generada es afectado grandemente por la operación cerca de los límites de temperatura y presión. El control de temperatura es crítico para la conservación de la vida útil y el desempeño global del proceso. Las protecciones requieren numerosas verificaciones de seguridad para eliminar cualquier riesgo de desastre.
De todas las etapas de operación, el arranque puede ser considerado la parte más crítica. En primer lugar porque, vista desde una perspectiva económica, durante el arranque solamente hay pérdidas; todo el combustible es quemado sin producir trabajo de salida. En segundo lugar porque los esfuerzos térmicos y mecánicos en el arranque reducen la vida útil de la unidad haciéndola susceptible a daños físicos.
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1.3.1 CONTROL ANALÓGICO
Las tareas que desarrolla el control analógico (Fig. 1.11) son el controlar de modo continuo las variables de proceso de acuerdo a las consignas en uso. Esta tarea debe de ser realizada durante el arranque y el paro además de la operación en carga o durante las variaciones de carga, en las cuales las limitaciones estáticas y dinámicas son efectivas. Las limitaciones estáticas vienen limitadas por las cargas permisibles y las dinámicas, por los márgenes de temperatura. El control analógico de la turbina se compone de los siguientes lazos fundamentalmente:
Control de arranque y paro. Control de frecuencia y carga.
Control de temperatura para la turbina trabajo y potencia. Control de posición de los álabes de distribución.
Figura 1.11 Tareas que Desarrolla el control analógico.
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frecuencia, ángulo de fase y tensión eléctrica son adaptados a la red. Se permite una banda de regulación como factor de fluctuación de frecuencia para los cambios de carga.
El controlador de frecuencia/carga deduce la consigna de carga mediante el factor de fluctuación y de la consigna de potencia activa. Las cámaras de combustión de la turbina disponen de una serie de actuadores que regularán la carga mediante la inyección del combustible adecuado para la turbina de presión alta y de presión baja, así como los álabes de distribución. Se calcula una consigna de carga para cada actuador y entonces es usada por los controladores de temperatura de la turbina de presión alta y presión baja, así como la de presión de descarga del compresor. Con todas estas variables, junto con las medidas de temperatura y presión se mantiene la operación.
1.3.2 CONTROL BINARIO
El control binario en la actualidad es completamente automatizado, donde los distintos sistemas auxiliares de la turbina van siendo conmutados para arranque o paro de modo secuencial. No hay intervención del operador, excepto para la selección del combustible y de la carga. Su función fundamental es controlar, proteger y monitorear todos los actuadores, los cuales tienen la función abierto/cerrado (on/off). El control ha de tener una estructura jerárquica (Fig. 1.12), donde el nivel más bajo es el de accionamiento.
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El siguiente nivel es el de grupo, donde se realizan funciones simples de automatización, como el arranque de los accionamientos de respaldo automático en caso de perturbaciones, así como las tareas de preselección en función de diferentes criterios. Por encima está el grupo funcional, donde se controlan las tareas entre los accionamientos principales con los auxiliares. La turbina se divide en los siguientes grupos funcionales:
Aceite de lubrificación. Gas combustible.
Dispositivos de arranque. Excitación.
Sincronización. Recierre. Purgado.
Contraincendios.
CAPÍTULO II TURBINA DE GAS DE
CAPÍTULO II TURBINA DE GAS DE DOBLE FLECHA CUSSONS P9005
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2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA TURBINA
La unidad de la Turbina de Gas (TG) de dos ejes P9005 de la marca Cussons Ltd está construida con un sistema de entrada de aire y una unidad de carga eléctrica. Es un equipo independiente que cuenta con un generador de gas (compresor, eje y turbina de trabajo), turbina de potencia, unidad de carga, instrumentación y un control manual, todo esto montado en un modulo. Además la TG cuenta con un panel frontal (Fig. 2.1) dotado con las válvulas y los indicadores para manipular y medir las variables del proceso.
El panel frontal de la TG muestra la secuencia del proceso. El proceso de la turbina comienza energizando el soplador, el aire es direccionado por medio de una válvula de dos posiciones accionada desde el panel frontal. En la posición de “Start” el aire sigue una trayectoria desde el soplador hasta la cámara de combustión a través del eje común del compresor y la turbina de trabajo. En este punto se inicia el suministro del gas que servirá de combustible para la ignición en la cámara de combustión, para llegar a ese punto previamente se regula la presión y el flujo del gas por medio de la válvula reductora y de la válvula de gas las dos manipuladas manualmente.
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Figura 2.1 Panel de control e instrumentación.
En la figura 2.2 se observan los elementos de la turbina de gas Cussons P9005 y se identifican cada uno de ellos en:
A) Silenciador de aire de admisión B) Compresor
C) Cámara de combustión D) Turbina de trabajo E) Turbina de potencia
F) Silenciador de gases de combustión G) Soplador
H) Dinamómetro o generador I) Tanque de aceite
J) Bomba de aceite/combustible K) Sistema de enfriamiento L) Entrada eléctrica
M) Protección de temperatura
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2.2 ESPECIFICACIONES E INSTALACIÓN DE LA TG
La unidad de la TG modelo P9005 es adecuada para usarse en ambientes con temperaturas de 40 °C y humedad relativa de 80%. La turbina de p otencia tiene un diámetro de 90 mm, opera en un intervalo de 170 RPS (revoluciones por segundo) a 600 RPS desarrollando una potencia máxima aproximada de 4 kW.
El generador de gas consiste en un compresor centrífugo conectado mediante un eje a una turbina radial. El impulsor del compresor tiene una succión de 72 mm mientras que la turbina radial tiene una succión de 16 cm2 y una punta de 70 mm de diámetro. El generador de gas
opera con una relación de presión aproximada de 2:1 y un intervalo de velocidad de 500 RPS a 2000 RPS.
La excitación se controla manualmente con el alternador trifásico, alimenta a un circuito de puente rectificador de tres fases dando una salida de corriente directa variable de hasta 75 V y de 35 A aproximadamente. Los servicios requeridos para el funcionamiento de la turbina son:
a) Ducto de escape para que los productos del escape de la turbina puedan ser extraídos.
b) Suministro de agua para el enfriamiento del sistema de lubricación. c) Drenaje para el agua de enfriamiento del sistema de lubricación. d) Alimentación monofásica de energía eléctrica.
e) Suministro de gas LP.
Cuando se requiere tener la unidad en condiciones de servicio debe de encontrarse en un lugar donde los suministros eléctricos, de combustible y agua, así como el ducto de escape sean los adecuados para su operación (Fig. 2.3).
Alimentación Eléctrica. Para una operación normal se requiere una alimentación de corriente alterna monofásica de aproximadamente 3.5 kVA . El motor del soplador, usado en el arranque, toma inicialmente corrientes de arranque altas por lo que los fusibles deben ser adecuados para esta condición de arranque. También es necesaria una conexión a tierra.
Suministro de combustible. El combustible que utiliza es gas propano (C3H8). Se pueden
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uso normal se recomiendan recipientes portátiles de 45 kg (100 libras). El consumo a plena carga es de aproximadamente 7 kg/h (15 lb/h) y sin carga 2 kg/h (5 lb/h).
Chimenea
Alimentación eléctrica
Suministro de combustible
Entrada y salida de agua de enfriamiento
Figura 2.3 Servicios requeridos por la turbina.
Agua de alimentación. Se tiene un intercambiador de calor aceite-agua, el circuito del aceite y del agua de enfriamiento debe ir conectada a la válvula solenoide. La salida de agua de enfriamiento debe conectarse al drenaje. El suministro de agua es mediante una manguera flexible de 9 mm (3/8”) y con un flujo mínimo de 10 LPM.
Disposiciones de escape. Se requiere un ducto que lleve los gases de escape fuera del lugar donde se tiene la turbina. Se debe tener al inicio del ducto de escape una entrada cónica.
2.3 SISTEMAS DE LA TURBINA DE GAS
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2.3.1 SISTEMA DE INICIO
El sistema está integrado por los siguientes elementos; Soplador centrífugo (Fig. 2.4), válvula de 3 vías y el silenciador (Fig. 2.4).
Figura 2.4 Soplador y Silenciador.
La función de este sistema consiste en inyectar aire desde el soplador centrífugo hacía la cámara de combustión para poner en marcha al generador de gas. Para este objetivo se usan dos válvulas de mariposa, agrupadas y operadas por un control de posición Start-Run desde el panel frontal. Para el sistema de inicio solo es necesaria la posición Start en donde se cierra el paso del aire a la entrada del silenciador y se direcciona el aire del soplador a la cámara de combustión. El soplador es usado a lo largo de la secuencia de inicio hasta que la velocidad autosostenible es alcanzada. También se utiliza para obtener refrigeración después del apagado con el fin de reducir el tiempo de enfriamiento.
2.3.2 SISTEMA DE IGNICIÓN
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Figura 2.5 Ubicación Sistema de Ignición.
2.3.3 SISTEMA DE CARGA DE LA TURBINA DE POTENCIA
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Figura 2.6 Correa dentada, cilindro hidráulico y generador de corriente eléctrica.
2.3.4 SISTEMA DE LUBRICACIÓN
El generador de gas, la turbina, compresor y los rodamientos de la turbina de potencia son lubricados mediante un sistema de lubricación de circulación continua (Fig. 2.7). El sistema contiene un tanque de aceite, una bomba de engranes, un filtro de aceite y un enfriador de aceite controlado termostáticamente con agua fría.
La bomba extrae el aceite del tanque y lo pasa por el filtro de aceite y el enfriador, directamente de los cojinetes el flujo fluye a las tuberías de desagüe donde se reconducen hacia el tanque de aceite. Una cantidad de aceite se purga de los conductos principales de presión y es llevado a través del restrictor de flujo para proveer una pequeña presión a la correa de sujeción del cilindro hidráulico, este suministro es regulado por una válvula de alivio y es protegido por un interruptor de presión de aceite para desernegizar la turbina de gas en caso de poca presión de aceite.
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Figura 2.7 Sistema de Lubricación.
El sistema de lubricación funciona de manera paralela con los otros sistemas y provee un impulso al cilindro hidráulico conectado a la correa dentada del generador que a la par de los gases provenientes de la turbina de potencia ponen en marcha al generador alcanzando así el objetivo de funcionamiento de la TG.
2. 4 INSTRUMENTACIÓN DE LA TURBINA DE GAS
Cada uno de los sistemas que forman la TG se compone de diferentes instrumentos como sensores, indicadores y actuadores que tienen relación con las variables proceso.
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Tabla 2.1 Sensores del sistema de inicio.
VARIABLE DE PROCESO SENSOR INTERVALO DE MEDICIÓN
Presión del tanque de gas Tubo Bourdon 0 bar - 16 bar Temperatura del aire de entrada (T1) Termistor 0 °C – 160 °C
Temperatura de la salida del compresor (T2)
Termistor 0 °C – 160 °C Temperatura del combustible de
entrada (Tg)
Termistor 0 °C – 160 °C
Flujo del aire de entrada Tubo Annubar 0 mm H2O– 200 mm H2O
Flujo de combustible Rotámetro 0.4 g/s – 3.3 g/s
Tabla 2.2 Válvulas del sistema de inicio.
VÁLVULA TIPO FUNCIÓN
Válvula “Start-Run” Mariposa de dos posiciones Direcciona el aire de entrada
Válvula “Reset” De paso Permite el paso del gas proveniente de la botella de gas
Válvula Reductora Reductora Regula el flujo y presión de gas de entrada
Válvula de gas De paso Permite el paso del gas a la cámara de Combustión.
Tubos Bourdon
manómetro de mercurio. En montados en el panel de la TG
Figura 2.8 Ind
Termopares y Termistores
Las temperaturas bajas (T1
usando sensores de diodo co pulsar uno de los tres botone temperatura correspondiente termopares tipo K (Fig.2.9) indicador muestra la medición temperatura T4 o T5 es neces
temperatura global del aceite (NiCr/NiAl) mostrada en un ind
Figu
Tubos Pitot
El flujo de aire es medido en annubar conectado a un manó
n la figura siguiente se observan los dos medid TG:
Indicador del Tubo Bourdon y Manómetro de Presión.
1, T2 y Tg) cercanas a la temperatura ambien
conectados a un solo circuito de medición lo qu nes de T1, T2 o Tg ubicados en el panel fronta
te. Las temperaturas altas (T3, T4 y T5) so
) conectados a un indicador del panel fronta ión de la temperatura T3, si se desea observar la
cesario pulsar el botón correspondiente a cada ite de lubricación también es medida por un t indicador en el panel frontal.
igura 2.9 Termopares y Termistores de la TG.
en la entrada del compresor del generador de nómetro diferencial al frente del panel (Fig 2.10).
25 didores de presión
iente son medidas que permite que al ntal se muestre la son medidas por tal (Fig. 2.1). El r la medición de la a temperatura. La termopar tipo K
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Figura 2.10 Manómetro diferencial indicador del aire de entrada y Rotámetro.
El Flujo másico del aire está dado por:
√∆ /
Dónde:
k= Constante de calibración (determinada por Cussons y grabado en la unidad)
∆h = Presión diferencial, en mm H2O.
Un tubo cónico y un rotámetro de área variable, son usados para medir el flujo del combustible (Fig 2.11). Las lecturas deben ser corregidas por temperaturas usando la gráfica en el anexo A.Dado que en este sistema tiene lugar la combustión es necesaria la medición de presiones y temperaturas. En la tabla 2.3 se presentan los instrumentos usados para medir estas variables.
27
Tabla 2.3 Instrumentación del sistema de ignición.
VARIABLE DE PROCESO SENSOR INTERVALO DE MEDICIÓN
Presión en la entrada de la cámara de combustión (P2)
Tubo Bourdon 0 bar – 4 bar Presión en la cámara de combustión
(P3)
Tubo Bourdon 0 bar – 2 bar Pérdida de presión en la cámara de
combustión. (P2 es la presión de
salida del compresor P2 – P3).
Manómetro diferencial
de Mercurio 0 cm Hg – 10 cm Hg Temperatura de entrada de la turbina
generadora de Gas. (T3).
Termopar tipo K 0 °C – 1000 °C
2.4.1 SISTEMA DE CARGA DE LA TURBINA POTENCIA
Con base en la función del sistema de carga de la turbina de potencia se requiere monitorear las presiones y temperaturas de entrada de la turbina de potencia, así como su velocidad y presión de los gases de escape. También es necesario monitorear la velocidad en el generador de gas. Por último medir el resultado del ciclo de la TG que se ve reflejado en la corriente y tensión eléctrica del alternador. En la tabla 2.4 se presentan los instrumentos que integran éste sistema.
Tacómetros
28
Tabla 2.4 Instrumentación del sistema de carga de la turbina de potencia. VARIABLE DE PROCESO SENSOR INTERVALO DE
MEDICIÓN
Presión de entrada de la turbina de totencia (p4).
Tubo Bourdon 0 bar – 0.4 bar Temperatura de entrada en la turbina
de potencia. (T4).
Termopar tipo K 0 °C – 1000 °C Temperatura en el escape de la
turbina de Potencia. (T5)
Termopar tipo K 0 °C – 1000 °C Velocidad del Generador de gas.
Tacómetro electrónico
0 RPS - 2000 RPS Velocidad de la Turbina de Potencia.
Tacómetro
electrónico 0 RPS - 800 RPS Corriente en el alternador
Ampermétro 0 A – 50 A Tensión eléctrica en el alternador.
Voltmétro de CD 0 V -100 V
Potencia de Salida
a)
Figura 2. 12 Tacómetros de lectur
Figu
b)
ura directa. a) Velocidad del Generador de gas y b) Velo de potencia.
igura 2.13 Ampermétro y Voltmétro de la TG.
Amp
Vol
29
locidad de la turbina
mpermétro
30
2.4.2 SISTEMA DE LUBRICACIÓN
Con base a la función de este sistema, es fundamental medir la temperatura y la presión del aceite así como regular su flujo. Por tal motivo se utilizan los instrumentos mostrados en la tabla 2.5
Tabla 2.5 Instrumentación del sistema de lubricación. VARIABLE DE
PROCESO SENSOR INTERVALO
Presión del aceite Tubo Bourdon 0 bar – 10 bar Temperatura del aceite Termopar tipo K 0 – 40/120 °C
VÁLVULA TIPO FUNCIÓN
Válvula De alivio Regula la presión del aceite.
2.5 OPERACIÓN
La unidad de turbina de gas Cussons incorpora un generador de gas impulsando una turbina de potencia que a su vez impulsa un generador eléctrico. El generador de gas consiste en un compresor centrífugo, una cámara de combustión tubular de gas de llenado individual y una turbina radial. La turbina de potencia libre es también de tipo radial con una transmisión de para el alternador. La unidad está diseñada para hacer un análisis de las características del funcionamiento de la turbina de trabajo, la turbina de potencia y la cámara de combustión utilizando la instrumentación del panel frontal. La operación dentro de un intervalo amplio de velocidad y carga es posible juntando la facilidad de variar la razón de velocidad entre el generador de gas y la turbina de potencia, mediante el control de la razón de velocidad del generador de gas y la turbina de potencia para un valor constante.
2.5.1 ARRANQUE O INICIO
31
1. Conectar el suministro de agua fría al drenaje. 2. Conectar el recipiente portátil de gas.
3. Conectar el suministro eléctrico.
4. Ajustar la entrada de control de aire en la posición de Start.
5. Cerrar la válvula de gas desde el panel frontal y abrir la válvula del recipiente portátil de gas.
6. Ajustar el dinamómetro de excitación al máximo.
7. Energizar la bomba de aceite del sistema de lubricación. 8. Presionar le botón de Reset.
9. Energizar el soplador.
10. Ajustar la presión del gas a 2 bar con la válvula de reducción.
11. Presionar el botón de ignición y mantenerlo presionado mientras la válvula de operación de gas permite un flujo de 0.5 g/s.
12. Si la ignición, mostrada por el incremento de T3, no ocurre dentro de 5 segundos
desde el comienzo del flujo de gas, cierre la válvula de gas para dejar pasar los gases no quemados y limpiar el sistema antes de regresar con el paso 11.
13. Suelte el botón de ignición.
14. Abra la válvula de gas suavemente para conceder al generador de gas una velocidad de 1000 RPS teniendo cuidado de mantener la temperatura de la cámara de combustión por debajo de 900 °C (esta operación toma algunos minutos dependiendo de la temperatura del aceite).
15. Cambie la entrada de control de aire a la posición de Run. 16. Apague el soplador.
17. Permita que la turbina funcione a 1000 RPS hasta que la temperatura del aceite alcance los 40 °C.
Cuando la ignición ocurre, se escucha un sonido característico dando lugar a un aumento en la temperatura de la cámara de combustión (T3). Si la válvula de gas se abre muy rápido T3
se incrementa por arriba de los 950 °C y la protección co ntra temperaturas altas detendrá el sistema. Si esto ocurre, se debe cerrar la válvula de gas, presionar el botón de reset y reiniciar el encendido. La temperatura T3 debe mantenerse por debajo de los 830 °C por
32
Inicialmente el ritmo de velocidad de aumento debe de ser lento debido a la viscosidad de la lubricación en frío del aceite, pero en la medida que la temperatura del aceite incrementa el ritmo de la velocidad de aumento se incrementará. Cuando la velocidad del generador alcance las 1000 RPS, se debe mantener la válvula de gas en esa posición y debe cambiarse el interruptor de la entrada de control de aire a la posición de “run” y apagar el soplador. Se debe permitir que el sistema opere arriba de 1000 RPS. Las lecturas se hacen presentes hasta que la temperatura del aceite se estabilice en las condiciones de operación seleccionadas.
2.5.2 LIMITACIONES DE OPERACIÓN
1. Durante el programa de pruebas los siguientes límites no deben excederse: Velocidad del generador de gas 2000 RPS.
Velocidad de la turbina de potencia 600 RPS.
Temperatura de entrada de la turbina del generador de gas 900 °C. 2. Ajuste la presión del gas de 1.5 bar antes de hacer las lecturas del combustible. 3. La unidad de turbina de gas tienen ciertas características internas de seguridad. Si la
temperatura de la cámara de combustión T3 excede de los 950 °C debido a un exceso
de combustible o por que la presión del aceite está por debajo de 1.5 bar, la válvula solenoide cortará el suministro de gas y se tendrá que seguir las instrucciones del paso 4 al 17 de la secuencia de arranque.
Cuando varía la carga en la turbina de potencia, se deben evitar movimientos grandes y repentinos del dinamómetro de control de excitación de manera que las cargas transitorias en la banda se eviten. Esto es conveniente cuando se tiene un conjunto de lecturas para establecer el flujo de combustible en el nivel deseado, ajustado por la válvula de control de combustible, y luego (si se requiere) regular la válvula reductora para darle al suministro de combustible una presión de 1.5 bar.
2.5.3 PARO
33
1. Cerrar la válvula del recipiente portátil de gas. 2. Cerrar la válvula de gas.
3. Una vez que las turbinas estén apagadas reajuste la entrada de control de aire a la posición de inicio.
4. Arrancar el soplador.
5. Anular el termostato de la temperatura de aceite con el interruptor del termostato en la caja de bornes.
6. Cuando T4 ha descendido por debajo de los 80 °C y la temperatur a del aceite por
debajo de los 30 °C: i) Apagar el soplador.
ii) Apagar la bomba de aceite. iii) Desconectar el suministro de gas. iv) Cerrar el suministro de agua.
v) Apagar y desconectar el suministro eléctrico.
Cuando la turbina ha sido apagada y el sistema está siendo enfriado por el soplador, es esencial anular la temperatura del aceite del termostato para asegurarse que la lubricación del aceite esté frían aunque el solenoide esté apagado.
2.7 DTI ACTUAL DE LA TURBINA DE GAS
El diagrama de tubería e instrumentación (Fig. 2.15) presenta gráficamente el estado actual de la turbina, mostrando la estructura de la TG, los elementos, instrumentos y equipos que la conforman, así como la ubicación de cada uno de ellos y la conexión entre ellos. Como se observa en el DTI el suministro de gas se manipula manualmente mediante una válvula de paso. Un indicador de presión muestra la presión de gas a la entrada de la TG, a continuación se tiene una válvula manipulada manualmente a través de un contacto activado por el operador que permite el paso del gas.
34
Figura 2.15 DTI actual de la Turbina de Gas.
35
compresor. La temperatura dentro de la cámara de combustión se mide y se indica con el propósito de asegurarse de que la ignición se lleva a cabo.
El soplador es energizado manualmente y una válvula de mariposa direcciona el aire, la posición de dicha válvula es controlada manualmente. Se tiene un indicador de temperatura del aire y el flujo de este se mide con medidor de presión diferencial (Tubo annubar).
Los gases obtenidos de la combustión en la cámara se dirigen mediante una tubería a la turbina de trabajo permitiendo su operación. Como se muestra en el diagrama el compresor y la turbina de trabajo están unidos por un eje, se tiene un medidor e indicador de velocidad que muestra la velocidad del compresor y de la turbina de trabajo. Mediante una tubería los gases de la turbina de trabajo se dirigen a la turbina de potencia para que esta comience a operar, a la salida de la turbina de trabajo se mide e indica la temperatura y presión de dichos gases.
Se indica la velocidad de la turbina de potencia y los gases de escape son expulsados por el escape o chimenea donde se mide e indica la temperatura a la que son expulsados. La turbina de potencia está acoplada a un alternador al que se le impone una carga por medio de un cilindro hidráulico que a su vez es impulsado por aceite del sistema de lubricación. En el alternador se miden e indican la corriente y tensión eléctrica.
En el DTI también se representa el sistema de lubricación, el cual está compuesto por un tanque de aceite donde se indica la temperatura del mismo, una bomba para dirigir el aceite, indicado la presión de bombeo, un filtro de aceite, una placa para direccionar el aceite de purga hacia el cilindro hidráulico, un intercambiador de calor, el suministro y drenaje de agua.
2. 8 DIGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
36
Figura 2.16 Diagrama de flujo de proceso de la Turbina de Gas.
Tabla 2.6 Condiciones normales de variables de proceso.
La turbina de trabajo a su vez genera el movimiento de la turbina de potencia; es por medio de esta que se ve reflejado el resultado del trabajo mecánico obtenido. Los gases se expedirán a la atmosfera por medio de la chimenea o escape. El sistema de lubricación permite a la turbina trabajar reduciendo el desgaste en sus componentes. Cuenta con un sistema de intercambio de calor para disminuir la temperatura del aceite. En el diagrama se
TEMPERATURA PRESIÓN FLUJO FLUÍDO
NORMAL MÁXIMA NORMAL MÁXIMA NORMAL MÁXIMA ---
1 20 ° C 35 ° C 2 bar 4bar 0.5 g/s 3.3 g/s Gas LP
2 20 ° C 30 ° C --- --- --- 200 mm H 2O Aire 3 20 ° C 18 ° C 2 bar 3 bar --- --- Agua
4 30° C 80 ° C 1.5 bar 2.5 bar --- --- Aceite
37
muestra el recorrido de los diferentes fluidos utilizados en la turbina de gas, lo cual nos es de suma ayuda para comprender como trabaja la turbina cussons P9005.
S
S
E
E
L
L
E
E
C
C
C
C
I
I
Ó
Ó
N
N
D
D
E
E
L
L
A
A
I
I
N
N
S
S
T
T
R
R
U
U
M
M
E
E
N
N
T
T
A
A
C
C
I
I
Ó
Ó
N
N
C
39
3.1 VARIABLES DE CONTROL
Para la propuesta de control es necesario conocer las variables de proceso de la turbina Cussons modelo P9005. De acuerdo a las secuencias de arranque y paro de la turbina se determina que las variables de control para esta propuesta son:
Temperatura
Temperatura en la cámara de combustión (T3).
Temperatura de entrada en la turbina de potencia (T4).
Temperatura del combustible de entrada (Tg).
Temperatura del aceite de lubricación.
Presión
Presión de entrada de la cámara de combustión.
Flujo
Flujo de gas a la entrada de la cámara de combustión (flujo de combustible).
Velocidad
Velocidad de la turbina generadora de gas. Velocidad de la turbina de potencia.
3.1.1 TEMPERATURA.
40
Tabla 3.1 Temperaturas a monitorear.
TEMPERATURAS DEL PROCESO ELEMENTO PRIMARIO
Temperatura del aceite de lubricación. Termopar tipo K Temperatura del combustible de entrada (Tg) Termistor
Temperatura en la cámara de combustión. (T3). Termopar tipo K
Temperatura a la salida de la Turbina de Potencia. (T4). Termopar tipo K
Para medir las temperaturas del aceite, la temperatura dentro de la cámara de combustión y la temperatura a la salida de la turbina de potencia se utilizan termopares tipo K, adecuados por el intervalo de temperatura que poseen. En la figura 3.1 se muestra la conexión de un termopar tipo K en la cámara de combustión.
3.1 Termopar en cámara de combustión.
Transmisores de temperatura
41
Conexión a termopares tipo K y termistores.
Salida analógica de 4 mA - 20 mA para enviar la señal al controlador.
El transmisor de temperatura seleccionado es el modelo TTH200 de la marca ABB (Asea Brown Boveri, S.A) debido a que cuenta con una entrada para termopares tipo K y termistores y a una salida de 4 mA a 20 mA; requerida para enviar la lectura al controlador. Adicionalmente se tomó en cuenta que el transmisor cuenta con caja de bornes que facilita su instalación y que con motivos de prevención el transmisor puede emplearse en ambientes explosivos adecuado para la propuesta debido a que la TG maneja fluidos combustibles y temperaturas altas. Se requieren 4 transmisores, uno por cada variable de temperatura. La figura 3.2 muestra el transmisor:
Figura 3.2 Transmisor de temperatura TTH200 ABB.
3.1.2 FLUJO
El flujo másico de combustible requerido es de aproximadamente 7 kg/h (Flujo másico) y sin carga 2 kg/h. Dado que la mayoría de los medidores de flujo miden flujo volumétrico es necesario hacer una conversión de flujo másico a flujo volumétrico para ello se utiliza la siguiente ecuación:
(3.1)
Donde:
m= Flujo másico, kg/h.
42
Q= Flujo Volumétrico, m3/h.
De la ecuación 3.1 se despeja el flujo volumétrico (Q) y se sustituyen los siguientes valores:
m= 7 kg/h y = 2.01
Por lo tanto, el flujo volumétrico es:
=
Por lo que se requiere un medidor y transmisor de flujo volumétrico que abarque dicho intervalo y posea las siguientes características:
Un diámetro de conexión de ¼” para conectarse con la tubería de la TG. Señal de salida de 4 mA a 20 mA
Presión de 2 bar a 4 bar (58.0152 PSI), presión de entrada del combustible.
Por lo que para la selección del instrumento en cuestión se tomaron en cuenta las características mencionadas quedando como transmisor seleccionado el modelo FMA1610 A-I de la marca OMEGA ® (Fig. 3.3) debido a que cuenta con las siguientes características:
Intervalo de operación de 100 SLM (standard liters per minute). Abarca el intervalo de flujo volumétrico requerido.
Conexión de ¼ “, adecuada para instalarse en la turbina de gas Salida de 4 mA -20 mA, comunicación via RS-232 al controlador. Presión máxima de 145 PSI
Medicíon y transmisión del flujo. Adecuado para gases.
43
Para el monitoreo del flujo de combustible en la TG es necesario conocer el flujo másico, el inconveniente como ya se ha mencionado es que los transductores de este tipo de flujo son poco comunes y costosos, debido a que resulta más sencillo medir flujos volumétricos. Para determinar el flujo másico se utiliza una técnica de compensación en el controlador (PLC) que se basa en la densidad del combustible como se muestra a continuación:
Dónde:
= Densidad del combustible, kg/m3.
P= Presión de entrada en la cámara de combustión, Pa. T= Temperatura del combustible de entrada, K.
P y T son obtenidas mediante sus respectivos transmisores.
.
3.1.3 PRESIÓN
Para el monitoreo de la presión de la entrada de la cámara de combustión se requiere de:
Un transmisor de presión con un sensor incluido.
Presión de trabajo de 0 bar a 4 bar, presión en la entrada de la cámara de combustión.
Salida de 4 mA a 20 mA para ser enviada al controlador. Adecuado para gases.
La selección del transductor se presión se llevó a cabo de acuerdo a los requerimientos arriba mencionados. El transductor de presión OMEGA ® modelo PX209-060GI (Fig.3.4)
cumple con las características necesarias para esta propuesta:
Intervalo de 0 bar a 4.1 bar. Señal de salida 4 mA a 20 mA. Conexión de ¼” .
44
Figura 3.4 Transductor de presión modelo PX209-060GI.
3.1.4 VELOCIDAD
Sensor de Velocidad
Debido a que la turbina de potencia y la turbina generadora de gas operan a velocidades altas (60 000 RPM) es necesario utilizar un sensor capaz de medir dichas velocidades. Otro requisito que se debe considerar es el espacio reducido en el que se debe instalar el sensor y debe tratarse de un sensor de proximidad para evitar desgaste tanto en el equipo como en el sensor. Por estas razones el sensor seleccionado es el sensor de proximidad modelo P5-11 de la marca Mornarch Instrument, Inc mostrado a continuación:
Figura 3.5 Sensor de proximidad P5-11.
La selección se llevó a cabo mediante la búsqueda en sitios web de diferentes proveedores de sensores de proximidad que tuvieran un intervalo de medición que abarcarán el requerido (60 000 RPM) y también de longitudes pequeñas para ser acoplado dentro de la
turbina de
gas
.Transmisor de Velocidad
45
de este instrumento es que acorde con el fabricante del sensor de proximidad seleccionado, este transmisor es adecuado para conectarse con dicho sensor, por lo tanto su intervalo de operación es apropiado para la transmitir la velocidad de la turbina de potencia y de la turbina generadora de gas. También proporciona una salida de 4 mA a 20 mA requerida para enviar la señal al controlador.
Figura 3.6 Transmisor de velocidad ACT-1B.
3.2 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL
Para realizar el control de arranque y paro en la turbina de gas Cussons P9005 es necesario utilizar como elementos finales de control válvulas motorizadas y válvulas solenoides. Para hacer la selección de las válvulas adecuadas para la propuesta es necesario llevar a cabo un dimensionamiento de válvula el cual consiste en la determinación del Cv (coeficiente de válvula para gases) de acuerdo a las condiciones del proceso. Conocer el cg da como resultado la selección de la válvula adecuada para el proceso
El dimensionamiento de las válvulas de regulación de presión y flujo del combustible a la entrada de la turbina de gas se realiza utilizando el software First Vue diseñado para realizar dimensionamientos de válvulas de control y reguladores de presión de la marca Fisher®. Los datos utilizados para el dimensionamiento son obtenidos del manual de operación de la turbina.
Para la válvula reguladora de Presión los datos que se introducen al programa son:
46
Presión de salida: 2 bar. Es la presión a la que se debe de ajustar la válvula de acuerdo a la secuencia de arranque indicada en el manual.
Diámetro de la tubería: ¼”.
Figura 3.7. Resultados entregados por Software First Vue para la válvula reguladora de Presión.
El programa nos entrega una hoja de interpretación de los datos y muestra los valores máximos y mínimos del Cg e indica que las condiciones son aceptables.
Para la válvula reguladora de Flujo los datos que se introducen en el programa son:
Presión de entrada: 2 bar. Es la presión proveniente de la válvula reguladora de presión de acuerdo a la secuencia de arranque.
Presión de Salida: 3 bar
47
El Cg obtenido mediante el cálculo del programa se muestra en la siguiente imagen de pantalla:
Figura 3.8 Resultados entregados por Software First Vue para la válvula reguladora de Presión
El término genérico para el coeficiente de válvula que usan los fabricantes ya sea para líquidos o gases es Cv, para convertir el Cg en Cv se divide entre C1 (Recovery Factor), quedando de la siguiente manera los Cv obtenidos del programa para las dos válvulas:
1
Para válvula reguladora de presión:
3.710
35 0.106
Para válvula reguladora de flujo:
7.305
48
Con base en estos resultados la válvula seleccionada (Fig. 3.9) para la regulación de presión es la válvula motorizada marca ASCO modelo SD8202G002V este modelo tiene un Cv de 0.14, adecuado para el Cv que se obtiene de los cálculos anteriores. Es importante decir que otro motivo por el cual se selecciona esta válvula es debido a que es apropiada para aplicaciones en gas y aire, a que su intervalo de operación cubre los requisitos de proceso (max. 3 bar), su conexión al proceso (¼”) y su tamaño adecuado para que de ser implementada está propuesta, está válvula puede acoplarse al panel de la turbina de gas.
La válvula seleccionada para la regulación de flujo es la Válvula Motorizada marca ASCO modelo SD8202G003V, se seleccionó está válvula debido a que tienen un Cv de 0.28 adecuado para el Cv de 0.20 calculado para está válvula. Su intervalo de operación es acorde para esta aplicación, su conexión de ¼” es apta para la tubería de la turbina de gas y su tamaño es apropiado para el panel de la TG.
Figura 3.9 Válvula Motorizada SERIE SD8202.
Para sustituir a la válvula de Start/Run montada en la turbina de gas no es necesario el dimensionamiento de la válvula dado que su función es el direccionamiento del aire. Se selecciona la válvula de 3 vías de la marca OMEGA ® modelo SV4105 (Fig.3.10) por ser
49
Figura 3.10 modelo SV4105.
3.2 OTROS ELEMENTOS
Aparte de los instrumentos ya mencionados se requiere de otros elementos para de control como son cables, botones y fuentes de alimentación, a continuación se explican sus especificaciones:
3.3.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Para proporcionar la tensión de alimentación al medidor de flujo, 4 cabezales de temperatura, transductor de presión, sensor y transmisor de velocidad se requiere de una fuente de alimentación. La fuente seleccionada debido a sus características de alimentación y a que tiene capacidad de hasta 5 dispositivos es el modelo CP-S 24/10.0 de la marca ABB mostrada en la siguiente figura 3.11. Para esta propuesta se requieren 2 fuentes de alimentación debido a que se utilizan 5 cabezales transmisores de temperatura.
50
3.3.2 BOTÓN PULSADOR
Se requiere de dos botones de tipo industrial para realizar la secuencia de arranque y la secuencia de paro de la TG, se utilizara un botón rojo y uno verde, ambos normalmente abiertos (Fig. 3.12).
Figura 3.12 Botón N.C.
3.4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
Con base a las secuencias de arranque, paro y las limitaciones de operación descritas en el capítulo 2 y la selección de instrumentos descrita en este capítulo se establece que las entradas y salidas del controlador para la propuesta son las siguientes (Tabla 3.11):
Tabla 3.11 Entradas al PLC.
TAG TIPO DE ENTRADA INTERVALO SEÑAL SALIDA (mA)
Transmisor de presión AI 0-4 bar 4-20 Transmisor de flujo AI 0-100 Lt/min 4-20
Transmisor de temperatura (Tg).
AI 0-160 °C 4-20 Transmisor de
temperatura (T3).
AI 0-100 °C 4-20 Transmisor de
temperatura (T4).
AI 0-100 °C 4-20 Transmisor de
temperatura de aceite
AI 0 – 40/120° °C 4-20 Transmisor de
velocidad AI 0-2000 RPS 4-20 Transmisor de
51
Tabla 3.12 Entradas al PLC.
FUNCIÓN ACTUADOR TIPO DE SALIDA SALIDA
Válvula Reductora Válvula Motorizada AO 4-20 mA Válvula de gas Válvula Motorizada AO 4-20 mA Válvula Start -Run Válvula Solenoide DO 120Vca
En la tabla 3.13 se resumen las entradas y salidas necesarias para esta propuesta:
Tabla 3.13 E/S.
Tipo de Módulo Cantidad
Entradas Analógicas 8 Salidas Analógicas 2 Entradas Digitales 2 Salidas Digitales 5
De acuerdo a esta información y a sus características el PLC que se selecciona es el Micrologix 1200 de AB (Allen-Bradley ) (Fig.3.13). A continuación se mencionan algunas de las características que posee y que son adecuadas para la propuesta:
Expansión de los módulos E / S, como se observa en la tabla 3.13 se utilizan entradas y salidas análogicas.
Utiliza el software RSLogix 500 de programación, software al que se tiene acceso y conocimientos de programación
Figura 3.13 Micrologix 1200 Allen-Bradley.
52
Figura 3.14 Serie Micrologix 1200.
Conforme a las E/S discretas de la propuesta y tomando en cuenta una tolerancia del 20% para proyectos futuros se selecciona el controlador Micrologix 1200 1762-L24BXB.
Para la propuesta de control también se requieren de módulos de E/S analógicas (Fig. 3.14) los módulos de expansión disponibles para el Micrologix 1200 son los que se muestra en la siguiente figura (Fig. 3.15):
53
La tabla 3.14 muestra los módulos seleccionados. La figura 3.16 muestra un módulo de expansión del PLC Mircologix.
Tabla 3.14 Módulos de expansión seleccionados.
Cantidad Módulo Características 1 1762-IF2OF2 2 entradas analógicas
2 salidas analógicas 1 o 2 1762-IF4 4 entradas analógicas
Figura 3.16 Módulo de expansión para Micrologix 1200.
Integrando los módulos de expansión seleccionados al controlador 1762-L24BXB de Micrologix 1200 la estructura del PLC resulta como se muestra en la figura 3.17:
Figura 3.17 Estructura del PLC seleccionado.
54
La conexión entre el PLC y la PC es através del cable Micrologix 1761-CBL-PM02 (mostrado en la Fig. 3.18) de la marca Allen- Bradley.
CAPÍTULO IV PROPUESTA DE
CONTROL
P
P
R
R
O
O
P
P
U
U
E
E
S
S
T
T
A
A
D
D
E
E
C
C
O
O
N
N
T
T
R
R
O
O
L
L
C
56
4.1 DIAGRAMA DE TUBERIA E INSTRUMENTACIÓN
En el DTI de la figura 4.1 se muestran los lazos cerrados de control de esta propuesta los cuáles son:
Lazo cerrado de regulación de presión del flujo de gas Lazo cerrado de regulación de flujo de gas.
La instrumentación restante mostrada en el diagrama tiene la función de proveer información necesaria para el programa con el propósito de monitorear y llevar a cabo el control de arranque, paro y las limitaciones de operación de la turbina de gas.
Figura 4.1 DTI de la propuesta de control.
57
cerrado. Este lazo está integrado por el una válvula de paso nombrada Reset la válvula es activada por un controlador, el gas pasa a través de la válvula reductora y un transductor de presión ubicado a continuación de la válvula envía una señal eléctrica de 4 mA a 20 mA al controlador que de acuerdo a la medición entregada y del algoritmo previamente programado envía una señal normalizada de 4mA a 20 mA a la válvula reductora para regular la presión.
Regulada la presión de gas se tiene un lazo cerrado para la regulación del flujo de gas en donde un transmisor de temperatura acoplado al sensor instalado en la turbina de gas envía una señal al controlador y éste junto con la señal entregada por el transmisor de presión del gas realiza la técnica de compensación de flujo mencionada anteriormente. Un transductor de flujo ubicado antes de la válvula de gas envía la medición al controlador a través de una señal de 4mA a 20 mA y de acuerdo a esta medición el controlador envía una señal eléctrica a la válvula de gas para regular el flujo de gas.
Un contacto activado por el controlador energiza el soplador permitiendo el flujo de aire. Una válvula de 3 vías direcciona el aire, ya sea permitiendo el paso del aire del soplador hacia la cámara de combustión (al comienzo del arranque de la turbina de gas) o del silenciador al compresor (cuando se ha alcanzado un estado auto sostenido) la posición de la válvula es manipulada por un contacto activado por el controlador. El indicador de temperatura de aire en el silenciador instalado actualmente en la turbina de gas así como el rotámetro para la medición de flujo de aire se mantiene pero no se utilizan para ésta propuesta
En la cámara de combustión se mantienen los indicadores de presión instalados en la TG así como el sensor y el indicador de temperatura a su entrada y se integra un transmisor de temperatura que entrega una señal al controlador y éste revisa si la ignición se lleva a cabo o no y si se sobrepasa la temperatura permitida en la cámara. Como ya se mencionó cuando la ignición tiene lugar la turbina de trabajo y el compresor comienzan a operar, en el eje común que comparten se añade un transmisor de velocidad que envía una señal a un controlador debido a que se debe tener un control sobre la velocidad de la turbina de trabajo durante la secuencia de arranque, la operación, la secuencia de paro y el paro de protección.
58
a un controlador. Se conserva el indicador de presión a la entrada de la turbina de potencia con el que cuenta actualmente la turbina así como el indicador de temperatura de los gases de escape ubicado en la chimenea pero estos instrumentos no tienen efecto sobre ésta propuesta.
La temperatura del aceite de lubricación es importante para llevar a cabo la secuencia de paro es por eso que se ubica un transmisor de temperatura en el tanque de aceite que entrega su lectura al controlador. Además de la secuencia de paro, la lectura de la temperatura del aceite es importante dado que si ésta sobrepasa el límite permitido el controlador realiza un paro de protección dado que ya no que no se cumpliría el propósito de lubricar los rodamientos.
En la explicación del DTI actual de la turbina se explica la trayectoria del aceite en el sistema de lubricación, su efecto en el alternador así como la indicación de la corriente y la tensión en alternador, en este DTI estos aspectos no sufren cambios por lo que permanecen del mismo modo.
4.2 ALGORITMOS DE CONTROL
Ya que se ha seleccionado la instrumentación requerida para esta propuesta, es momento de desarrollar la programación del controlador. Ésta programación se efectuará mediante el software RSLogix 500 © de la marca Rockwell Automation Inc.
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Figura 4.2 Diagrama de Flujo de la Secuencia de Arranque de la TG Cussons.
