Modelos de Utilización de Energía en Hornos Eléctricos Edición Única

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(2) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY. DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA. PROGRAMA DE GRADUADOS. MODELOS DE UTILIZACIÓN DE ENERGÍA EN HORNOS ELÉCTRICOS. TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN CIENCIAS ESPECIALIDAD EN. INGENIERÍA DE SISTEMAS POR. ÁNGEL AGUSTÍN DE OBESO NORIEGA 19. 74.

(3) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY. DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA. PROGRAMA DE GRADUADOS. Junio 1974. Señor D i r e c t o r d e l Programa de Graduados: La T e s i s elaborada por e l Ingeniero Mecánico Administrador Ángel A. de Obeso Noriega t i t u l a d a "Modelos de Energía en Hornos Eléctricos" ha s i d o aceptada como r e q u i s i t o p a r c i a l para optar a l Grado Académico de Maestro en c i e n c i a s , Espec i a l i d a d en Ingeniería de Sistemas..

(4) R E S U M E N. En. ésta. t e s i s se a n a l i z a e l sistema de producción de -. acero en hornos eléctricos de arco y se d e s c r i b e n l o s e q u i — pos y procesos que i n t e r v i e n e n .. E l proceso en hornos eléctricos y su conexión con l a — p l a n t a de generación de energía eléctrica producen para. am—. bos, f u e r t e s problemas de operación y costos elevados en l a energía eléctrica.. Se presenta un programa de simulación d e l sistema pro d u c t i v o como herramienta de evaluación económica de l a s d e — c i s i o n e s de utilización de energía, este programa c o n s i d e r a l o s modelos de c o n t r o l de demanda, c o n t r o l de p o t e n c i a , cont r o l de p o t e n c i a máxima que forman l a base de l o s e s t u d i o s .. E l modelo de c o n t r o l de demanda disminuye e l costo de l a energía f i j a n d o una demanda base de facturación económica.. E l modelo de c o n t r o l de p o t e n c i a c o n s i d e r a un aprovecha miento óptimo de l a energía en l o s períodos en que l a potenc i a está l i m i t a d a .. E l modelo de c o n t r o l de p o t e n c i a máxima c o n s i d e r a un au mentó en l a energía promedio consumida a l r e d u c i r l a d i s p e r sión de consumo, logrando con e l l o un aumento de producción.. - i -.

(5) La implementación de estos modelos se hace con una computadora de c o n t r o l de procesos.. Los b e n e f i c i o s reportados. son c o n s i d e r a b l e s tanto en aumento de producción como en r e ducción de c o s t o s .. - ii -.

(6) Í N D I C E PÁG.. RESUMEN.. CAP.. I. i. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO.. 1.1. - Introducción.. 1. 1.2. - O b j e t i v o d e l Sistema.. 1. 1.3. - Descripción d e l Sistema.. 2. 1.4. - Problemas de Utilización de Energía.. 8. 1.5. - Metodología. CAP.. 1. II. SIMULACIÓN.. 14 15. II.1. - O b j e t i v o d e l Programa de Simulación.. 15. II.2. - Descripción d e l Programa de Simulación.. 16. II.3. - Ventajas de Simulación.. 21. II.4. - Resultados.. 23. CAP. I I I. CONTROL DE DEMANDA.. 24. III.1. - Descripción d e l problema.. 24. III.2. - Modelo de C o n t r o l de Demanda.. 25. III.3. - Simulación d e l Modelo de C o n t r o l de Demanda.. CAP.. 28. III.4. - Límite Económico de Demanda.. 30. III.5. - Resultados.. 32. IV. CONTROL DE POTENCIA.. 33. IV.1.- Descripción d e l problema.. 33. IV.2.- Modelo de C o n t r o l de P o t e n c i a .. 33. IV.3.- Simulación de C o n t r o l de P o t e n c i a .. 40. IV.4.- Resultados.. 42.

(7) PÁG. CAP.. V. CONTROL DE POTENCIA MÁXIMA POR HORNO.. 43. V.I.-. Descripción d e t a l l a d a d e l problema.. 43. V.2.-. Modelo de C o n t r o l de P o t e n c i a Máxima.. 43. V.3.-. Simulación de C o n t r o l de P o t e n c i a Máxima.. 46. Resultados.. 46. IMPLEMENTACIÓN. 49. RESULTADOS.. 53. VII.1.-. Resultados T a n g i b l e s .. 53. VII.2.-. Resultados I n t a n g i b l e s .. 53. VII.3.-. Solución a problemas.. 55. CONCLUSIONES.. 56. BIBLIOGRAFÍA.. 58. 59. V.4.-. CAP.. VI. CAP. V I I. CAP.VIII. APÉNDICE. A. Programa y Resultados de Simulación.. APÉNDICE. B. Programa y Resultados de Cálculo de Límite Económico de Demanda.. APÉNDICE. C. Deducción d e l Modelo de C o n t r o l de Demanda.. APÉNDICE. D. 76. 81. Programas y Resultados de Modelos en Operación.. 84.

(8) ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS PÁG.. Fig.. 1.- Diagrama d e l Sistema.. 4. Fig.. 2.- Sistema Productivo Aceración HYLSA.. 7. Fig.. 3.- Gráfica Proceso Aceración.. 9. Fig.. 4.- Gráfica de Demanda.. 11. Fig.. 5.- Gráfica de Frecuencia de Generación PEGI.. 12. Fig.. 6.- Gráfica de Potencia Demandada.. 13. Fig.. 7.- Diagrama Simulación.. 17. Fig.. 8.- Diagrama Proceso y Modelos.. 22. Fig.. 9.- Modelo C o n t r o l de Demanda.. 26. F i g . 10.- Diagrama Simulación C o n t r o l de Demanda.. 29. F i g . 11.- Gráfica Modelo Límite Económico.. 31. F i g . 12.- Modelo Programación Dinámica C o n t r o l de Potencia. F i g . 13.- Modelo Branch and Bound C o n t r o l de P o t e n c i a .. 37 38. F i g . 14.- Diagrama Simulación Modelo C o n t r o l de Potencia.. 39. F i g . 15.- Gráfica Modelo Límite Económico Modificado.. 41. F i g . 16.- Gráfica Energía Promedio Consumida.. 44. F i g . 17.- Diagrama C o n t r o l Potencia Máxima.. 45. F i g . 18.- Diagrama Modelo Dinámica I n d u s t r i a l C o n t r o l de Potencia Máxima por Horno.. 47. F i g . 19.- Diagrama Computadora de C o n t r o l de Proceso.. 52. F i g . 20.- Modelo C o n t r o l de Demanda.. 83. TABLA 1.- N i v e l e s de Consumo de Hornos.. 35. TABLA 2.- Resultados Económicos.. 54.

(9) CAPITULO I. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO. 1.1. - Introducción La. c r i s i s que se ha presentado por f a l t a de energéticos,. aunada a l costo t a n elevado que han alcanzado l o s produc tos. manufacturados han sido l a s razones p r i n c i p a l e s para. d e s a r r o l l a r e s t u d i o s más específicos en cuanto a l a u t i lización de energía. La. producción de acero en hornos eléctricos de arco es -. para l a s p l a n t a s de generación dé energía eléctrica un problema de operación f u e r t e ya que l a carga i n s t a l a d a es muy c o n s i d e r a b l e y su operación muy v a r i a b l e por l o que e l p o t e n c i a l que presentan e s t u d i o s en e s t a área. es. muy v a l i o s o tanto en costo como en producción. E l sistema considerado en este t r a b a j o i n c l u y e. simultá—. neamente e l proceso de producción de acero y l a p r o d u c ción de energía eléctrica; en e l análisis se i n c l u y e programa de simulación como herramienta de evaluación. un —. económica. E s t e capítulo d e s c r i b e en forma g e n e r a l l o s o b j e t i v o s del. —. sistema, su organización, y l o s problemas que han da. do o r i g e n a este e s t u d i o ; en l o s capítulos p o s t e r i o r e s se hace una justificación económica para l o s modelos pro puestos. 1.2. - O b j e t i v o d e l Sistema. I.2.I.- Puesto que e l Departamento de Aceración es c u e l l o de b o t e l l a para l a producción t o t a l de HYLSA, e l o b j e t i v o.

(10) 2. d e l e s t u d i o d e l sistema es l o g r a r e l máximo de producción en forma económica.. Este o b j e t i v o se basa en que. l a energía eléctrica es uno de l o s costos más importan tes d e l proceso y uno de l o s f a c t o r e s i n d i s p e n s a b l e s en l a producción de acero, y considerando además que l a energía eléctrica presenta dos aspectos muy. impor—. tantes: - E l costo de l a energía eléctrica no es l i n e a l , por t a n t o e x i s t e un v a l o r a l c u a l no r e s u l t a económico consumir mayor energía. - E l aprovechamiento de l a energía en producción de. —. acero no es constante, por tanto a un n i v e l mayor de energía consumida, e l aprovechamiento de e s t a es. me-. nor. 1.2.2.- Para P l a n t a Eléctrica e l Departamento de Aceración. de. HYLSA r e p r e s e n t a un problema grande de operación, e l c u a l se describirá más adelante, y por l o mismo e s t e e s t u d i o t i e n e como o t r o o b j e t i v o minimizar l o s p r o b l e mas de operación en PEGI.. I.3.-. Descripción d e l Sistema.. I . 3 . I . - Generalidades. - Desde e l punto de v i s t a de HYLSA, l a producción de acero en hornos eléctricos r e p r e s e n t a e l mayor p r o — blema de energía, tanto por l a gran demanda que se r e q u i e r e , así como por l a s grandes v a r i a c i o n e s en e l consumo de energía debidas a l a s características d e l proceso. - Desde e l punto de v i s t a de l a P l a n t a Eléctrica l a. —. producción de acero en HYLSA r e p r e s e n t a e l 55% de su.

(11) 3. capacidad i n s t a l a d a y consecuentemente e l mayor problema p o t e n c i a l tanto para e l l a así como para e l r e s to de l o s u s u a r i o s que l a componen. E l sistema por tanto estará compuesto en su etapa. —. i n i c i a l por e l Departamento de Producción de HYLSA y por l a P l a n t a Eléctrica incluyendo a l r e s t o de l o s usuarios. 1.3.2.- Descripción D e t a l l a d a . Antes de d e s c r i b i r en forma d e t a l l a d a e l sistema debemos tomar en cuenta que l a primera restricción que debe s e r considerada es que todas l a s d e c i s i o n e s y a c c i o nes que se hagan en e l sistema serán ejecutadas sobre l o s equipos de HYLSA y por l o tanto e l Departamento de Aceración será considerado como l a p a r t e p r i n c i p a l d e l sistema. En l a F i g . 1 se muestra un diagrama general d e l s i s t e ma e l c u a l i n c l u y e l o s s i g u i e n t e s equipos y procesos;. - Equipos. P l a n t a Eléctrica. (PEGI):. 2 P l a n t a s de generación con una capacidad t o t a l de 147,000 Kw.,. instalada. con líneas de transmisión para. HYLSA a 13,200 v o l t s y f r e c u e n c i a de generación 60 cps. Resto de U s u a r i o s : Demanda constante 6 días/semana a 72,000 Kw. Demanda constante 1 día /semana a 50,000 Kw. F r e c u e n c i a p e r m i t i d a para operación normal 6 0 + 1 cps..

(12) DIAGRAMA. DEL. SISTEMA. F i g u r a No. 1.

(13) 5. HYLSA: Propietaria. d e l 48% de l a producción de PEGI.. ACERACION: 1 Horno eléctrico "Lectromelt" t i p o. NT.. Capacidad 35 Tons. Diámetro 13'. Diámetro de E l e c t r o d o s 14". Capacidad de Transformador 20,000 KT. F a c t o r de P o t e n c i a. 0.78.. 2 Hornos eléctricos "Lectromelt" t i p o. KT.. Capacidad 100 Tons. Diámetro. 1. 18 .. Diámetro de E l e c t r o d o s 20". Capacidad de Transformador 20,000 F a c t o r de P o t e n c i a 1 Horno eléctrico. KVA.. 0.78.. "Whiting".. Capacidad 100 Tons. Diámetro 18'. Diámetro de E l e c t r o d o s 20". Capacidad de Transformador 35,000 F a c t o r de Potencia. KVA.. 0.66.. 3 Grúas de carga. (2) Cap. 60 y 15 Tons. marca Whiting. (1) Cap. 60, 20 y 5 Tons. marca Whiting. 2 Grúas de vaciado marca Whiting. Cap. 150 y 20 Tons. Resto de P l a n t a. (HYLSA):. Equipo cuya demanda es 15,000 Kw. semana.. constantes 7 días/.

(14) 6. En l a F i g .. 2 se ve un plano general d e l Departamento. en e l c u a l se muestran l o s equipos d e s c r i t o s .. - PROCESOS: P l a n t a Eléctrica: Produce energía eléctrica para l o s usuarios mediante un c o n t r o l de v o l t a j e y f r e c u e n c i a prácticamente manual debido a l proceso en hornos eléctricos. HYLSA (Aceración): Producción de acero en hornos eléctricos u t i l i z a n d o c h a t a r r a y f i e r r o esponja como materias primas en un proceso que consta de l a s s i g u i e n t e s etapas: - Carga y Fusión. Las. materias primas se funden para obtener f i e r r o. líquido, empleando como fuente térmica e l c a l o r. —. producido por e l arco eléctrico d e l horno.. - Refinación: E l f i e r r o líquido r e a c c i o n a con o t r o s m a t e r i a l e s para obtener l a s características d e l acero.. - Vaciado: Una vez reunidas l a s e s p e c i f i c a c i o n e s r e q u e r i d a s se vacía e l acero en una o l l a con m a t e r i a l. refrac-. tario.. - Reparación: E l desgaste d e l r e f r a c t a r i o d e l horno por e l proce so es reparado agregando nuevo m a t e r i a l. refracta—. r i o a l o s puntos de mayor desgaste, para i n i c i a r nuevamente e l proceso en e l horno..

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(16) 8. - Vaciado en L i n g o t e r a s : E l acero de l a o l l a es vaciado en l i n g o t e r a s des) para obtener. (mol-. lingotes.. - Descoquile: Una vez e n f r i a d o e l acero, l o s l i n g o t e s son extraí^ dos de l a s l i n g o t e r a s para s e r enviados a l p r o c e — so de laminación. En l a F i g . 3 se muestra e l proceso en sus d i f e r e n t e s etapas para e l horno eléctrico, en l o s aspectos de consumos de energía y tiempos. I.4.- Problema de Utilización de Energía. Los problemas p r i n c i p a l e s en cuanto a l a utilización. de. energía se p l a n t e a r o n en forma d i f e r e n t e por p a r t e de las. —. dos empresas.. I.4.I.- Problema de energía para HYLSA. Para HYLSA su p r i n c i p a l problema es e l c o s t o .. La t a r i. fa con l a c u a l se cobra l a energía está compuesta dos f a c t o r e s : e l consumo y l a demanda.. E l consumo. por se. transforma directamente en producción de acero y e l — aprovechamiento depende únicamente de l a e f i c i e n c i a del. —. proceso; l a demanda es e l v a l o r instantáneo máximo. de energía eléctrica, l a c u a l r e p r e s e n t a para l a P l a n ta Eléctrica una capacidad que t i e n e que s e r i n s t a l a d a independientemente de que se emplee esa capacidad o no; como e l v a l o r instantáneo no es r e p r e s e n t a t i v o de l a demanda, se c o n s i d e r a e l promedio máximo de 15 minutos como l a demanda f a c t u r a d a ; pero en v i s t a de que l a s em presas hacen m o d i f i c a c i o n e s a e s t a demanda, e l período en e l c u a l se r e v i s a e s t a es mensual, por tanto e l eos.

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(18) 10. to por demanda mensual será e l promedio máximo durante 15 minutos, l o c u a l s i g n i f i c a que s i durante 15 m i n u — tos. se demandan 100 MVAH en promedio y e l r e s t o d e l —. mes se demandan 0 MVAH se c o n s i d e r a como s i todo e l — mes se e s t u v i e r a n demandando 100 MVAH.. La F i g . 4 mués. t r a l a demanda máxima y l a demanda promedio para HYLSA.. 1.4.2.- Problema de energía para PEGI. Para l a P l a n t a Eléctrica. (PEGI) e l problema de energía. eléctrica está d i v i d i d o en dos p a r t e s : A) HYLSA demanda e l 55% de l a capacidad i n s t a l a d a en PEGI.. S i en un momento l a demanda de HYLSA b a j a a. 0 MVAH, e l vapor acumulado se convertirá en un a u — mentó v i o l e n t o en l a v e l o c i d a d de l a s t u r b i n a s y —• l a f r e c u e n c i a de generación se incrementará en 2 — cps;. de i g u l a forma s i l a demanda aumenta v i o l e n t a -. mente l a f r e c u e n c i a de generación puede b a j a r hasta 58 cps, l o c u a l representa un grave problema tanto para PEGI como para e l r e s t o de l o s u s u a r i o s. (ver -. Fig. 5). B) La potencia generada por PEGI es en algunos momen— tos. (mantenimiento, f a l l a s , etc.) i n f e r i o r. a l a po-. t e n c i a demandada y entonces l a f r e c u e n c i a de genera ción disminuye en forma constante, es i n d i s p e n s a b l e entonces, desconectar alguna de l a s cargas para evi^ t a r e s t a baja de f r e c u e n c i a ; l o s hornos eléctricos son. seleccionados para e l l o , ya que un horno r e p r e -. senta una gran carga para PEGI, aunque esto es también un problema para e l proceso de HYLSA. Fig.. En l a -. 6 se muestra l a p o t e n c i a máxima de PEGI y l a -. p o t e n c i a demandada por l o s u s u a r i o s ..

(19) GRAFICA. DE. DEMANDA. F i g u r a No. 4.

(20) FRECUENCIA DE ENERGIA GENERADA Figura. No.. 5.

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(22) 14. Estos problemas han s i d o l o s que generaron l o s e s t u d i o s r e f e r e n t e s a utilización de energía.. Los modelos. presentados en l o s s i g u i e n t e s capítulos son l a s s o l u — c i o n e s propuestas para estos problemas.. 1.5.-. Metodología. E l procedimiento de análisis c o n s i d e r a una visión. gene—. r a l d e l sistema y todas l a s i n t e r r e l a c i o n e s de cada uno de l o s equipos p r o d u c t i v o s , a través de un programa de simulación. Se han d e s a r r o l l a d o por separado d i f e r e n t e s modelos para un mejor aprovechamiento de energía, reducción de c o s t o s y aumento de producción l o s cuales serán evaluados por e l programa de simulación para determinar su p o t e n c i a l . Los modelos p r i n c i p a l e s son: - C o n t r o l de Demanda,. (objetivos).. - C o n t r o l de P o t e n c i a . - C o n t r o l de Potencia Máxima. E s t o s modelos a n a l i z a n e l sistema desde e l punto de v i s t a de c o s t o s , optimización en e l aprovechamiento de ener gía d i s p o n i b l e y c o n t r o l de l a s v a r i a b l e s d e l sistema..

(23) CAPITULO. II. SIMULACION. Antes de t r a t a r de r e s o l v e r l o s problemas mencionados en cuanto a utilización de energía, debemos e v a l u a r e l p o t e n c i a l que e s t o r e p r e s e n t a para HYLSA.. La herramienta adecuada para e v a l u a r l o s b e n e f i c i o s de un s i s tema t a n complejo e l c u a l c o n s i d e r e l o s d i f e r e n t e s aspectos d e l problema como son: c o s t o s , producción, operación, mantenimiento, e t c . es simulación.. E s t a simulación para s e r e f e c t i v a deberá c o n s i d e r a r l o s aspect o s mencionados como son:. - Proceso P r o d u c t i v o . - Modelo de C o s t o s . - Modelos Matemáticos. - Métodos de Operación. - Equipos. E l programa de simulación d e s a r r o l l a d o para e s t e sistema se desc r i b e en e s t e capítulo.. I I . 1.- O b j e t i v o d e l Programa de Simulación. E l o b j e t i v o p r i n c i p a l d e l modelo de simulación como her r a m i e n t a de decisión, es e v a l u a r e l b e n e f i c i o poten c i a l que r e p r e s e n t a para l a empresa e s t u d i o s como: - Utilización de energía eléctrica. - Ampliaciones a l Departamento de Aceración. - M o d i f i c a c i o n e s a l o s equipos ya e x i s t e n t e s ..

(24) 16 - M o d i f i c a c i o n e s a métodos de t r a b a j o . - Planeación de Mantenimiento.. II.2.-. Descripción d e l Programa de Simulación. Los. hornos eléctricos forman l a parte c e n t r a l d e l proce. so p r o d u c t i v o como se mencionó anteriormente, y por. -. e l l o e l programa de simulación c o n s i d e r a a e s t o s como e l equipo de mayor importancia.. En l a F i g .. 7 se muestra. un diagrama de bloques d e l programa y a continuación. se. d e s c r i b e brevemente cada uno de e l l o s .. HORNOS ELECTRICOS: - Selección grúas de carga - demora. Para c a r g a r e l horno debe haber una grúa d i s p o n i b l e , e s t a d i s p o n i b i l i d a d reúne l a s s i g u i e n t e s características : a) Grúa no en mantenimiento. b) No i n t e r f e r e n c i a con o t r a grúa para l l e g a r a l hor no. c). P r i o r i d a d de operación a c t u a l , menor que p r i o r i dad de c a r g a r .. S i se reúnen estas características para una grúa, e s t a se utilizará para e l proceso de carga d e l horno, de o t r a forma ocasionará a e s t e una demora, l a c u a l a f e c tará a l proceso p r o d u c t i v o .. - Carga materias primas. a) Se acumulan l a s materias primas cargadas a l horno en c a l i d a d y c a n t i d a d . b) Se consideran l o s tiempos de carga (Distribución).. - Profundización: a) Distribución de tiempos de profundización de.

(25) SIMULACION HOFNOS ELECTRICOS FIGURA No. 7.a.

(26) SIMULACION GRUAS DE CARGA F i g u r a No. 7 .b.

(27) SIMULACION GRUAS DE VACIADO F i g u r a No. 7.c.

(28) 20 acuerdo a materias primas cargadas, b) Energía eléctrica demandada tanto en consumo como en potencia.. - Fusión carga: a) Distribución de tiempos debida a l a s materias primas cargadas. b) Energía eléctrica demandada t a n t o en consumo como en potencia. c) A j u s t e s de tiempos por n i v e l e s de energía.. - Refinación. a) Distribución de tiempos debido a l a especificación d e l acero a f a b r i c a r . b) Energía eléctrica demandada (consumo y p o t e n c i a ) . c) Selección de grúas de vaciado antes de terminar r e finación. - Vaciado. a) Distribución de tiempos de v a c i a d o . b) Distribución de peso de acero líquido por toneladas de materia prima.. - Reparación. a) Distribución de tiempos. b) Número de coladas entre parches y r e v e s t i m i e n t o s .. - Demoras. En todas l a s etapas d e l proceso debe s e r considerado e l hecho de que pueden o c u r r i r demoras, l a s c u a l e s se c l a s i f i c a n en: - Demoras mecánicas y eléctricas. - Demoras por grúas de carga. - Demoras por grúa de v a c i a d o ..

(29) 21. - Demoras por f a l t a de energía eléctrica. - Demoras por f a l t a de l i n g o t e r a s . Las d i s t r i b u c i o n e s consideradas. son:. a) Distribución de tiempos entre demoras. b) Distribución de tiempos de duración de demoras. - Selección de Grúas de. Vaciado.. Para v a c i a r e l horno deben cumplirse. las siguientes. —. condiciones: a) Grúa no en mantenimiento. b) No i n t e r f e r e n c i a entre grúas. c) O l l a de vaciado d i s p o n i b l e . - C o n t r o l de Demanda. - C o n t r o l de Potencia. - C o n t r o l de Potencia Máxima. Estos son l o s p r i n c i p a l e s e s t u d i o s r e f e r e n t e s a u t i l i zación de energía y que serán a n a l i z a d o s por l a simula ción. Este modelo ha s i d o d e s a r r o l l a d o u t i l i z a n d o e l lenguaje GPSS para una computadora IBM 370/145. En l a F i g . 8 se muestra un diagrama d e l proceso y de l o s modelos i n c l u i d o s en e l programa de simulación y en e l apéndice A se muestra un l i s t a d o d e l modelo. con. una descripción de l a s v a r i a b l e s y l a s d i s t r i b u c i o n e s empleadas así como un l i s t a d o de r e s u l t a d o s d e l modelo. I I . 3 . - Ventajas. de Simulación.. Aunque l o s modelos de simulación no encuentran l a s o l u ción óptima a l o s problemas ya que únicamente a n a l i z a n s o l u c i o n e s p r o p u e s t a s , t i e n e n grandes v e n t a j a s . - A n a l i z a n todos l o s f a c t o r e s que interactúan en e l. —.

(30) DIAGRAMA DE PROCESO Y MODELOS FIGURA No. 8.

(31) 23 sistema. - Emplean l a información considerando l a s d i s t r i b u c i o. —. nes r e a l e s . - Permiten m o d i f i c a c i o n e s a l o s problemas en forma senci^ lia. - Evalúan l o s b e n e f i c i o s de d i f e r e n t e s a l t e r n a t i v a s s i n p r o b a r l a s en e l sistema r e a l . - Las l i m i t a c i o n e s p r i n c i p a l e s de l a simulación son: A) Tiempo y costo en e l d e s a r r o l l o d e l modelo es e l e v a do. B) Costo d e l Modelo en Operación muy. grande.. I I . 4 . - Resultados. Finalmente, aunque l o s r e s u l t a d o s que se obtienen de un modelo de simulación puedan s e r muy v a l i o s o s , no t i e n e n ningún v a l o r mientras no sean l l e v a d o s a l a práctica.. Los r e s u l t a d o s más importantes han s i d o logrados propo niendo s o l u c i o n e s f a c t i b l e s a l o s problemas y determinan do con l o s modelos l o s b e n e f i c i o s que con e l l o s se obten drán. En l o s modelos de utilización de energía se mostrarán l o s r e s u l t a d o s obtenidos..

(32) CAPITULO I I I. CONTROL DE DEMANDA. I I I . 1 . - Descripción d e l problema. Haciendo un análisis más profundo a l problema de c o s t o de energía eléctrica por demanda, podemos observar. en. l a F i g . 4 que l a demanda promedio es aproximadamente. -. un 60% de l a demanda máxima d i s p o n i b l e para HYLSA, s i n embargo e s t a demanda máxima puede l l e g a r a s e r 83,000 KWH. s i e l r e s t o de l o s u s u a r i o s de PEGI no emplean. su. energía.. Los costos por exceso de demanda presentan una reía ción l i n e a l con un v a l o r de $255/MVA a p a r t i r de 81250 KVA que son l o s derechos de HYLSA.. Por o t r a parte para l o g r a r que l a demanda no se exceda de un límite asignado, se deberán desconectar uno o. —. más hornos en a q u e l l o s períodos en que l a demanda exce derá a l límite asignado, ocasionando con e l l o pérdidas de producción, s i e l límite asignado es bajo, e l. pago. por exceso de demanda es bajo pero e l costo por pérdida de producción es a l t o y v i c e v e r s a cuando e l. límite. asignado es a l t o .. E l determinar cuánto es l a pérdida de producción no. —. puede s e r obtenido probando d i f e r e n t e s v a l o r e s d e l límite asignado, pues e l costo de estas pruebas puede. —. ser muy elevado y por o t r a parte s i tratamos de obtener l o s datos de una gráfica de demandas e x i s t e e l p r o b l e ma de no c o n s i d e r a r l a s i n t e r a c c i o n e s de l a s o t r a s par.

(33) 25 t e s d e l sistema l a s cuales pueden a f e c t a r l o s datos de pérdida de producción. (ejemplo: s i e l límite asignado. es bajo habrá menos demoras mecánicas y eléctricas y l a pérdida de producción no será a f e c t a d a únicamente por l a energía), es por e s t o que se emplea e l modelo de. si-. mulación como l a herramienta que evaluará estos c o s t o s .. I I I . 2 . - Modelo de C o n t r o l de Demanda. Ya que l a simulación únicamente evalúa e l b e n e f i c i o de l a s s o l u c i o n e s propuestas consideraremos l a solución más v i a b l e como l a solución a l problema, s i e s t a no pro duce l o s r e s u l t a d o s esperados se considerarán o t r a s soluciones .. La solución más v i a b l e para e s t e problema es l a de desconectar uno o más hornos en a q u e l l o s períodos en que l a demanda excederá e l límite asignado; l a única r e s tricción que debe s e r considerada es e l hecho, menciona do anteriormente de que l o s hornos no pueden s e r desconectados o conectados simultáneamente por e l problema de f r e c u e n c i a que se o c a s i o n a .. E l modelo que efectúa l o s pronósticos y toma l a s d e c i siones de desconexión se muestra en l a F i g . 9 y se desc r i b e n a continuación l a s v a r i a b l e s y e l modelo.. VARIABLES:. PMAX. =. Es l a r e c t a de consumo máximo p o s i b l e para HYLSA.. PCNC. =. Es l a r e c t a de consumo máximo una vez desconec tados todos l o s hornos.. Ti. =. Tiempo máximo en que se debe e f e c t u a r una r e v i sión d e l sistema..

(34) MODELO CONTROL DE DEMANDA FIGURA No. 9.

(35) 27 P l = Pronóstico de consumo para e l tiempo T i , hecho en e l tiempo 0. (PXY) = Triángulo que permite desconectar paulatinamente los 1. hornos para evitar e l problema de frecuencia. L = Límite asignado para e l mes en KVAH. Rl = Consumo real en e l tiempo TI. T2 = Nuevo tiempo máximo a l que se debe e f e c t u a r una revisión. P2 = Pronóstico de consumo para e l tiempo T2, h e — cho en e l tiempo T I . R2 = Consumo en tiempo T2 i g u a l a P2 por tanto. se. toma l a decisión de desconectar. Y2 = Punto en e l cual se desconecta e l último horno para continuar por l a recta "PCNC" y llegar a "L". MODELO: Al. i n i c i o d e l período se hace un pronóstico, e l c u a l -. c o n s i d e r a que l a demanda seguirá l a r e c t a de pendiente máxima. (PMAX), s i l a demanda r e a l sigue e s t a r e c t a en-. tonces en e l punto que cruza l a r e c t a de carga no controlada. (PCNC) se deberán desconectar todos l o s hornos. asignados; l a demanda r e a l seguirá entonces por l a r e c t a PCNC y a l f i n a l d e l período se llegará a l límite permitido. —. ( L ) . En v i s t a de que l o s hornos no pueden -. ser. desconectados simultáneamente se t r a z a un triángu-. lo. (PXY)^ e l c u a l permite un tiempo d e f i n i d o e n t r e c a -. da desconexión, este tiempo es e l n e c e s a r i o para que l a f r e c u e n c i a de PEGI no sobrepase l o s límites permití dos;. e l punto (Ti, Pl) es entonces e l punto en e l cual se d e —. berá hacer una revisión de l a energía demandada y s i e s t a es i g u a l a P l se deberá desconectar uno de l o s — hornos y esperar e l tiempo p e r m i t i d o entre desconexiones para hacer una nueva revisión; e l tiempo en e l c u a l se pudiera l l e g a r a P l es T i y es este v a l o r e l -.

(36) 28 que se c o n s i d e r a para una nueva revisión.. S i en e l. tiempo T i l a demanda r e a l es R l se c o n s i d e r a que a par t i r de e s t e momento l a demanda p u d i e r a s e g u i r l a r e c t a PMAX y se efectúa e l pronóstico de i g u a l forma para ob t e n e r P2 y consecuentemente T2, ya que en l a gráfica mostrada l a demanda r e a l co. (R2) es i g u a l que e l pronóst:L. (P2) se desconectará a p a r t i r de e s t e momento uno -. de l o s hornos y a i n t e r v a l o s r e g u l a r e s l o s demás. S i l a demanda r e a l , una vez desconectados l o s hornos no Sigue l a r e c t a PCNC se hacen r e v i s i o n e s para v e r l a po s i b i l i d a d de conectar uno o más de l o s hornos y l l e g a r l o más c e r c a d e l límite p e r m i t i d o .. Una vez que t e r m i -. na e l período se conectan l o s hornos a i n t e r v a l o s regu l a r e s para e v i t a r nuevamente e l problema de f r e c u e n c i a en PEGI.. En e l apéndice C se muestra l a deducción. ma-. temática d e l modelo.. E s t e modelo g a r a n t i z a que e l consumo no se excederá d e l límite asignado pero e x i s t e l a p o s i b i l i d a d de desconectar más tiempo d e l que h u b i e r a s i d o n e c e s a r i o , s i e l consumo d e l r e s t o de HYLSA. no sigue l a r e c t a mos. -. trada.. Para evaluar l a pérdida de producción a l f i j a r un lími^ te es n e c e s a r i o i n c l u i r este modelo en l a simulación.. I I I . 3 . - Simulación d e l Modelo de C o n t r o l de Demanda. E l Modelo de C o n t r o l de Demanda dentro d e l Programa de Simulación r e q u i e r e información de l o s hornos para ope r a r y l a s d e c i s i o n e s son tomadas sobre e s t o s , por l o tanto es n e c e s a r i o m o d i f i c a r e l programa en l a parte cor r e s p o n d i e n t e a hornos l o c u a l se muestra en l a F i g . 7 agregar e l modelo de c o n t r o l de demanda, ver F i g . 10..

(37) CONTROL DE DEMANDA FIGURA NO. 10.

(38) 30 En e l Apéndice A se muestran l o s r e s u l t a d o s de l a simulación en cuanto a tiempo desconectado de hornos, estos v a l o r e s , m u l t i p l i c a d o s por l a s Tons./Hr. que produce e l horno i n d i c a n l a pérdida de producción d e l departamento en toneladas de acero, l a s cuales evaluadas a u t i l i d a d marginal producen un punto de l a gráfica de l a F i g . 11; ejecutando e l modelo con d i f e r e n t e s v a l o r e s de límite asignado se obtienen d i f e r e n t e s puntos de l a gráfica.. I I I . 4 . - Determinación d e l Límite Económico de Demanda. La F i g . 11 muestra l o s dos f a c t o r e s que i n t e r v i e n e n par a l a determinación d e l límite económico de operación: - Costos por pérdida de producción. - Costos por exceso de demanda.. Por medio de análisis de regresión se ajustó una curva a l o s puntos determinados por l a simulación para. inclu-. i r l a dentro d e l cálculo d e l límite económico.. Este programa c a l c u l a l o s costos por l o s conceptos mencionados y hace a j u s t e s en cuanto a l a s t a r i f a s debido a que HYLSA es c o p r o p i e t a r i o de l a P l a n t a Eléctrica.. Los f a c t o r e s que i n t e r v i e n e n en e l programa son: - Tiempo desconectado por demanda. - V e l o c i d a d de producción de hornos Tons./Hr. - U t i l i d a d marginal por tonelada de acero. - F a c t o r de d i v e r s i d a d de u s u a r i o s . En e l Apéndice B se muestran l o s r e s u l t a d o s de este pro grama donde se muestra e l límite económico.. Una de l a s p r i n c i p a l e s v e n t a j a s de este programa es e l.

(39) LIMITE. ECONOMICO. DE. FIGURA No. 11. DEMANDA.

(40) 32 análisis de s e n s i b i l i d a d que se puede e f e c t u a r. para de-. terminar cuales de l o s parámetros deben s e r evaluados con mayor e x a c t i t u d y sobre l o s que se debe tener un me jor control.. I I I . 5 . - Resultados. S i consideramos que en un mes e x i s t e n 2,880 períodos de 15 minutos, l a p r o b a b i l i d a d. de que s i no e x i s t e c o n t r o l. se l l e g u e a l a demanda máxima p o s i b l e es muy cercana. a. 1, estadísticamente se ha observado que en l o s dos últi mos años l a demanda ha alcanzado su v a l o r máximo p o s i b l e que es de 112,500 KVAH, por tanto e l a p l i c a r e l modelo de c o n t r o l de demanda representa de $4 2,000/mes.. un ahorro p o s i b l e.

(41) CAPITULO CONTROL. DE. IV POTENCIA. IV.1.- Descripción ,del problema. Uno de l o s problemas más importantes para P l a n t a Eléct r i c a p r i n c i p a l m e n t e en e l verano y durante l a s r e p a r a ciones de t u r b i n a s y c a l d e r a s es e l hecho de que l a pot e n c i a demandada por l o s usuarios es mayor que l a capac i d a d de generación de P l a n t a Eléctrica, e s t a situación es. t a n crítica que l a p l a n t a no puede s o p o r t a r l a por. mas de 15 segundos antes de que a f e c t e a todos l o s usua r i o s y a l a P l a n t a en sí.. E s t e problema se m a n i f i e s t a a través de una disminución constante de l a f r e c u e n c i a. de generación l a c u a l permi. te una variación de + 1 cps, sobre e l v a l o r c e n t r a l que es. 60 cps.. Analizando l a Fig.6 se puede observar que aunque hay pe ríodos en que l a p o t e n c i a demandada sobrepasa l a c a p a c i dad de generación, hay muchos o t r o s en que queda por es. muy. debajo de e l l a , en promedio l a p o t e n c i a demandada 60% de l a capacidad, esto es debido a l proceso de. hornos eléctricos como se ve en l a F i g .. 3. Cuando e l problema se p r e s e n t a , es n e c e s a r i o desconec tar. uno o más hornos hasta que e l problema haya pasado,. e s t o causa pérdidas de producción de acero l a s c u a l e s han s i d o consideradas para d e s a r r o l l a r e s t e e s t u d i o .. IV.2.- Modelo de C o n t r o l de P o t e n c i a . E s t e modelo t i e n e como o b j e t i v o aprovechar l a energía d i s p o n i b l e h a s t a e l máximo de capacidad de generación de P l a n t a Eléctrica; l o c u a l se l o g r a ajustando l a s po-.

(42) 34 t e n c i a s demandadas por cada horno hasta que l a suma de e l l a s sea i g u a l a l a capacidad de generación. Los. n i v e l e s de p o t e n c i a demandada son d i s c r e t o s para -. cada uno de l o s hornos y se muestran en l a t a b l a No. 1; e l modelo es entonces de programación e n t e r a .. VARIABLES; C = Capacidad de generación de PEGI en. MW.. P i j = Producción de acero d e l horno j a l a p o t e n c i a i . X i j = 0; E l horno j no está conectado a l a p o t e n c i a i . 1; E l horno j sí está conectado a l a p o t e n c i a i . A i j = Consumo de p o t e n c i a d e l horno j a l n i v e l 1.. ECUACIONES: Función O b j e t i v o : max Z = Z i. Z Pij*Xij i. i = 1,...,8 j=l,...,4. Restricciones: Z i. Z Aij*Xij 3. < C. Z Xil= 1 i Z Xi2 = 1 i Z Xi3 = 1 i Z Xi4 = 1 i Xij. > 0. i =1,2,3,...,8. X i j = entera (0,1). j = 1,2,3,4,.

(43) PROGRAMACION LINEAL ENTERA.. VARIABLES: Aij. =. ENERGIA DEMANDADA POR EL NIVEL i DEL HORNO j. Aij. TABLA No. 1.

(44) 36 SOLUCION: La ver. solución se puede obtener por programación dinámica F i g . 12 o por Branch and Bound como se muestra en. la Fig. Los. 13.. dos métodos producen l a misma solución aunque en -. forma d i f e r e n t e y e l diagrama de f l u j o mostrado es e l que se empleó en e l programa de simulación para evaluar l o s b e n e f i c i o s de e s t e e s t u d i o . E l programa de simulación d i o como r e s u l t a d o que para mantener l a p o t e n c i a demandada en e l límite de c a p a c i dad era n e c e s a r i o e f e c t u a r aproximadamente. 60 cambios. de p o t e n c i a por colada por horno, l o c u a l hace que dis_ minuya rápidamente l a v i d a de l o s transformadores; par a encontrar nuevamente una solución f a c t i b l e se agregó como restricción e l minimizar e l número de cambios de n i v e l de p o t e n c i a .. La solución se muestra en l a. F i g . 13 y aunque no es una solución óptima a l problema r e s u l t a s e r • l a más f a c t i b l e .. E l modelo en operación -. se d e s c r i b e a continuación.. MODELO:. En v i s t a de que debe s e r tomada una acción antes de 15 segundos y que además g a r a n t i c e que l a p o t e n c i a demandada sea menor que l a capacidad de PEGI l a decisión i n mediata es desconectar uno de l o s hornos eléctricos, después de que PEGI haya r e s t a b l e c i d o su f r e c u e n c i a a 60 c p s . se a n a l i z a l a capacidad d i s p o n i b l e de PEGI y se d e c i d e en qué n i v e l de energía se conecta a cada uno de l o s hornos..

(45) ETAPAS:. N = No. DE HORNOS (N=4). ESTADOS:. S = CANTIDAD DISPONIBLE DE ENERGIA EN LA ETAPA N (0 < S < L) .. DECISION:. X = ENERGIA A CONSUMIR EN HORNO N. n. FORMOLA DE RECURRENCIA:. f (s,x) n. = {c- . + f i ! (s-x )} n Y. n. f* (S) n. n. o-n,X n-1 n n UTILIDAD, SI ESTANDO EN S EN LA ETAPA N SE DECIDE POR X . n =. UTILIDAD OPTIMA PARA EL ESTADO S EN LA ETAPA N.. =. MAX { f (S,X )}. X* n. =. DECISION QUE OPTIMIZA f (S,X ) n n. C. . ID. =. UTILIDAD DEL HORNO j EN EL NIVEL i .. PROGRAMACION DINAMICA FIGURA No. 12. n. n.

(46) BRANCH AND BOUND FIGURA No. 13.

(47) METODO EMPLEADO CONTROL DE POTENCIA FIGURA No. 14.

(48) 40 E s t a decisión se basa en a s i g n a r a todos l o s hornos su máxima energía, pero ya que esto no es f a c t i b l e , se d i s minuye e l n i v e l de energía d e l horno menos p r o d u c t i v o , s i l a combinación produce un r e s u l t a d o f a c t i b l e se conecta a l o s hornos en l a s p o s i c i o n e s c a l c u l a d a s , de o t r a forma se r e p i t e e l proceso de d i s m i n u i r e l n i v e l hasta encontrar una solución. factible.. Una vez que e l problema en PEGI haya sido r e s u e l t o se conectan l o s hornos a su n i v e l o r i g i n a l y continúan e l proceso en forma normal.. IV.3.- Simulación de C o n t r o l de P o t e n c i a . E l diagrama de bloques d e l modelo se muestra en l a F i g . 14 y es e l mismo que se emplea en e l modelo de s±_ mulación para evaluar l o s b e n e f i c i o s de e s t e modelo, por. l o que es n e c e s a r i o m o d i f i c a r nuevamente l a p a r t e. correspondiente - Proporcionar. a hornos en cuanto a: información.. - E j e c u t a r l a s acciones d e l modelo. - R e g i s t r a r l a s demoras ocasionadas. - E f e c t o en C o n t r o l de Demanda. Es muy importante reconocer l a v e n t a j a de l a simula ción en l a interrelación de f a c t o r e s , en e s t e caso con t r o l de demanda y c o n t r o l de p o t e n c i a ; s i l a capacidad de generación de PEGI es muy baja p u d i e r a o c u r r i r que e l límite de c o n t r o l de demanda nunca f u e r a alcanzado y entonces l o s costos por pérdida de producción d e b i dos a l c o n t r o l de demanda cambiarán como l o muestra l a F i g . 15 y consecuentemente e l límite económico también será d i f e r e n t e ..

(49)

(50) 42 IV.4.-. Resultados. Analizando l a información. en cuanto a pérdida de p r o -. ducción a l no e x i s t i r este modelo se ha determinado que e l tiempo desconectado es de 15 mins./colada.. De l o s r e s u l t a d o s obtenidos de l a simulación vemos que l a s demoras en tiempo " e f e c t i v o " desconectado han disminuido a 8.2 mins./colada, l o c u a l r e p r e s e n t a incremento de 250 tons./mes que evaluadas a marginal s i g n i f i c a n. un. utilidad. un b e n e f i c i o p o t e n c i a l de. $262,500/mes.. Es importante mencionar que aunque l o s b e n e f i c i o s mos trados son muy grandes todavía s u b s i s t e e l hecho de que l a energía se u t i l i z a s o l o en un 63% de l a capaci_ dad t o t a l y que e l p o t e n c i a l que esto r e p r e s e n t a es mucho mayor..

(51) CAPITULO V. CONTROL DE POTENCIA MAXIMA POR HORNO. V . I . - Descripción d e l problema. A l mencionar en l o s e s t u d i o s a n t e r i o r e s e l hecho de que cada horno consume determinada energía en cada n i v e l de conexión realmente se r e f i e r e a una distribución de c o n — sumo, s i n embargo para l o s modelos matemáticos se ha considerado un v a l o r de esa distribución.. E l v a l o r considerado es en este caso e l límite s u p e r i o r ya que se debe e v i t a r a toda cosa exceder l o s límites asignados; esto t r a e como consecuencia que e l v a l o r prome d i o de consumo de energía sea menor que e l consumo i n d i c a do. E l o b j e t i v o de este e s t u d i o es r e d u c i r l a dispersión de consumo de energía y operar sobre l a c o l a derecha de l a distribución, l o c u a l t r a e consigo un aumento de p r o d u c — ción. (Ver f i g . 16).. V.2.- Modelo de C o n t r o l de Potencia Máxima. E l modelo de solución a este problema corresponde a l campo de l a teoría de c o n t r o l y en l a F i g . 17 se muestra. el. diagrama de bloques.. La solución propuesta obedece más a l t i p o de c o n t r o l s u — p e r v i s o r ya que se i n d i c a a l horno en qué n i v e l de e n e r — gía se debe c o l o c a r ; s i n embargo e l análisis matemático r e s u l t a muy complejo puesto que además de e f e c t u a r s e un c o n t r o l d i s c r e t o en tiempo, también es d i s c r e t o en l a s —.

(52)

(53) CONTROL ENERGIA POR HORNO. CONTROL DE POTENCIA MAXIMA F i g u r a No.. 17.

(54) 46 d e c i s i o n e s , por e s t a razón se ha optado por un modelo de simulación para determinar l a mejor forma de c o n t r o l .. La simulación en este problema en p a r t i c u l a r ha s i d o efectuada directamente en l o s hornos, para l o c u a l se consideró como primera a l t e r n a t i v a un t i p o de c o n t r o l p r o p o r c i o n a l pero tomando como señal de e r r o r un pronós_ t i c o ponderado para e l s i g u i e n t e período de revisión.. La herramienta propuesta i n i c i a l m e n t e para e s t e p r o b l e ma fue Dinámica I n d u s t r i a l , ya que e s t e t i p o de análi s i s puede s e r directamente adaptado a problemas de control,. l a d i f i c u l t a d mas importante ha s i d o e l modelo. d e l proceso e l c u a l en l a mayoría de l o s casos es muy complejo de determinar.. -. E l modelo de Dinámica Indus. t r i a l se muestra en l a F i g . 18, así como l a s ecuaciones de d i f e r e n c i a .. V.3.-. Simulación de C o n t r o l de P o t e n c i a Máxima. E l e f e c t o de e s t e modelo de c o n t r o l dentro de l a simula ción d e l proceso fue considerado como una modificación a l a s d i s t r i b u c i o n e s de tiempos en l a fase de fusión que es donde se efectúa este c o n t r o l .. Los consumos con. siderados en l o s modelos no se m o d i f i c a r o n ya que e l va l o r máximo de consumo no se alteró.. V.4.-. Resultados. E l b e n e f i c i o reportado por l a simulación por e l aumento en e l consumo es de $150,000/mes debido a l aumento de producción reportado.. Se debe mencionar que e l e f e c t u a r c o n t r o l sobre l a s var i a b l e s d e l proceso ha cobrado auge a p a r t i r de. 1960. con e l d e s a r r o l l o de nuevos d i s p o s i t i v o s que permiten -.

(55) DC ECUACIONES: ND = NR = NK = DECIS = FS = PERT = FE =. ND + AT (DECIS-FS) Nivel de demora proceso NR + AT (FS-PERT) Nivel de energía real NK + AT (FE) Nivel de demora información NDES - ( NR + (1- ) NK) Flujo. Decisión cambio de nivel ND/K^ Flujo. Demora proceso Función de ruido Flujo. Perturbación externa (NR - NK)/K Flujo. Demora de información 2. DINAMICA INDUSTRIAL FIGURA No. 18.

(56) 48 un mejor análisis y c o n t r o l d e l proceso a un costo econó laicamente. atractivo..

(57) CAPITULO. VI. IMPLEMENTACION. Una t a r e a aun más ardua que e l d e s a r r o l l o de modelos. es l a. implementación de un sistema de e s t a n a t u r a l e z a . Aunque se ha hecho r e f e r e n c i a a l s i s t e m a , se debe mencionar que h a s t a ahora s o l o se ha considerado e l sistema p r o d u c t i vo, s i n embargo para impLamentar estos e s t u d i o s es necesa r i o un sistema que i n c l u y a l a s s i g u i e n t e s f u n c i o n e s : - Organización. - Comunicación. - Información. - Decisión. - Control.. E l sistema propuesto para e j e c u t a r e s t a s funciones ha e v o l u cionado a través de t r e s etapas: 1). Sistema Humano. Las funciones d e l sistema son efectuadas totalmente por l o s operadores; en este t i p o de sistema son p a r t i c u l a r m e n te importantes. l a s funciones de Comunicación y Decisión.. A e s t e n i v e l es prácticamente imposible implementar l o s modelos matemáticos propuestos. Los r e s u l t a d o s obtenidos con e s t e sistema, son por períodos c o r t o s de tiempo ya que se r e q u i e r e una gran s u p e r v i sión para mantener e l sistema en operación, de c u a l q u i e r manera se cometen e r r o r e s de todos t i p o s mación, comunicación,. etc.).. (decisión, i n f o r.

(58) 50 2). Sistema de. Instrumentos.. Las funciones d e l sistema son efectuadas en su mayor par te por instrumentos y son p a r t i c u l a r m e n t e importantes l a s funciones de c o n t r o l , información y aunque e s t e campo evolucionado-debido. a los controladores. ha. programables.. l a s d e c i s i o n e s a n i v e l de sistema son l i m i t a d a s .. Los r e s u l t a d o s obtenidos presentan b e n e f i c i o s en l a s á reas de aplicación pero t i e n e n l o s i n c o n v e n i e n t e s de. no. c o n s i d e r a r a l sistema en forma t o t a l y e l d i s p o s i t i v o una vez diseñado prácticamente no t i e n e cambios.. 3). Sistemas de Computadora. Las funciones d e l sistema son efectuadas c a s i. totalmente. por l a computadora.. Los r e s u l t a d o s pueden ser obtenidos para e l sistema t o t a l a través de modelos matemáticos como l o s d e s a r r o l l a dos, l a f l e x i b i l i d a d en l a toma de d e c i s i o n e s , l o s e r r o r e s prácticamente nulos y l a acción d i r e c t a sobre e l sis_ tema son l a s v e n t a j a s más d e c i s i v a s en un sistema de e s ta naturaleza.. Es n e c e s a r i o mencionar que un sistema de computadora es muy. costoso, aunque l a s minicomputadoras han hecho más -. a c c e s i b l e s estos sistemas, por o t r a p a r t e , e l d e s a r r o l l o e implementación r e q u i e r e de p e r s o n a l muy. especializado. y de una gran c a n t i d a d de tiempo.. E l sistema mostrado ha pasado por l a s t r e s etapas y ac tualmente emplea una computadora que se d e s c r i b e a c o n t i nuación: - Modelo: IBM-1800. - Memoria: 32 K palabras (16 b i t s / p a l a b r a ) ..

(59) 51 - Tiempo de c i c l o : 2 microsegundos. - Impresora: 250. líneas/minuto.. - L e c t o r a de t a r j e t a s : 300. tarjetas/minuto.. - Discos (2 unidades) capacidad t o t a l de: 7,250,000 p a l a b r a s , tiempo acceso promedio 75 microsegundos. - Terminales de impresión. (8 unidades) v e l o c i d a d 10 ca -. racteres/segundo. - Entradas d i g i t a l e s. (384) de v o l t a j e. - Contadores p u l s o s (24) de v o l t a j e. (24-0. (24-0. volts).. volts).. - I n t e r r u p c i o n e s Proceso (9 6) de c o n t a c t o . - Salidas Digitales. (96) de v o l t a j e. - Entradas Analógicas. (36-0. volts).. (32) v o l t a j e + 5 v o l t s .. En l a F i g . 19 se muestra un diagrama general de l a i n s talación de c o n t r o l de proceso y en e l Apéndice muestran. l o s programas. D se. de operación para e s t a computado-. r a , de l o s modelos propuestos..

(60) DIAGRAMA COMPUTADORA IBM-1800 FIGURA No. 19.

(61) CAPITULO. VII. RESULTADOS. Los modelos matemáticos han s i d o impLamentados por medio de l a computadora a p a r t i r de 1970, e l c o n t r o l de p o t e n c i a máxi^ ma fue implementado en 1973 y l l e v a actualmente 1 año de ope ración.. V I I . 1 . - Resultados t a n g i b l e s . Los b e n e f i c i o s de l o s modelos en un año de operación se muestran en l a T&,bla 2 y como se puede observar por. l o s b e n e f i c i o s en reducción de costos y aumento. de producción se ha j u s t i f i c a d o plenamente l a i n v e r sión (aproximadamente $6,000,000) aunque debemos men c i o n a r que l a aplicación de e s t a computadora abarca todas l a s áreas d e l proceso en Aceración y no únicamente l o r e l a t i v o a utilización de energía.. VII.2.- Resultados i n t a n g i b l e s . Además d e l b e n e f i c i o económico mostrado debemos cons i d e r a r a l sistema computarizado como de un gran ben e f i c i o por l a s demás funciones que d e s a r r o l l a . - Información p r e c i s a y c o n f i a b l e . - Análisis profundo d e l proceso. - Comunicación s i n e r r o r e s y a tiempo. - Supervisión. - L i s t a d o s y r e p o r t e s para toma de d e c i s i o n e s ..

(62) RESULTADOS ECONOMICOS POR AÑO ACTUAL. ANTERIOR. CONTROL DE DEMANDA. $. 889.3xl0. 3. $. 490.5xl0. CONTROL DE POTENCIA. i+20 H r s . Dem.. 214. CONTROL DE POTENCIA POR HORNO. 2 3.5 MW. 2 4 . 5 MW. FACTOR DE CARGA. 0 . 569. 0.628. TABLA. No.. 2. BENEFICIO. 3. $. H r s . Dem. $. 398.8xl0. 3. 3600. Tons.. 1800. Tons.. 3.6xl0. 6.

(63) 55 VII.3.- Solución a Problemas. De l o s problemas que d i e r o n o r i g e n a este e s t u d i o , e l problema de costos ha s i d o mencionado en e l punto anterior.. Los problemas de f r e c u e n c i a en PEGI han d i s -. minuido considerablemente por l a función d e l programa de c o n t r o l de p o t e n c i a , s i n embargo debemos reconocer que e l rango de operación de f r e c u e n c i a es aun e l e v a do debido p r i n c i p a l m e n t e t r o l en PEGI.. a l o s d i s p o s i t i v o s de con. Se han efectuado e s t u d i o s para a n a l i -. z a r l a p o s i b i l i d a d de cambiar algunos de l o s d i s p o s i t i v o s y e f e c t u a r una mejor regulación empleando l a computadora ya que e s t a posee en c u a l q u i e r momento l a información de l a situación de cada horno, l o s p r o b l e mas que han detenido e s t a aplicación han s i d o por l o s d i s p o s i t i v o s y l a conexión con l a computadora..

(64) CAPITULO VIII. CONCLUSIONES. E l análisis de l o s modelos a través d e l programa de simulación ha s i d o de una gran ayuda no solo para evaluar. los beneficios -. de l o s modelos de utilización de energía sino para todos l o s es tudios relacionados. con e l sistema p r o d u c t i v o .. Los r e s u l t a d o s. reportados por e l programa han s i d o muy s i m i l a r e s a l o s o b t e n i dos una vez implementados l o s modelos por l o que se ha convertí^ do en una herramienta importante de decisión.. E l modelo de c o n t r o l de demanda es fácilmente c u a n t i f i c a b l e ya que su aplicación es directamente evaluada por l a f a c t u r a de energía y l a s d i f e r e n c i a s entre r e s u l t a d o s. —. r e a l e s y e l modelo -. es debida a l a situación mencionada d e l e f e c t o de c o n t r o l de po tencia.. Para l a situación mostrada se notó que e l modelo no es. muy s e n s i b l e a l límite y dependiendo de l a s condiciones. d e l pro. ceso se puede a j u s t a r fácilmente. E l modelo de c o n t r o l de p o t e n c i a v a l i o s o s principalmente. ha s i d o uno de l o s modelos más. porque se e v i t a n l o s e r r o r e s humanos de. comunicación.. E l modelo de c o n t r o l de p o t e n c i a máxima es una de l a s a p l i c a d o nes clásicas de l a s computadoras de proceso y su aplicación aun que muy v a l i o s a se ha v i s t o l i m i t a d a por l a interconexión proce so-computadora.. Desde e l punto de v i s t a de sistema,. l a computadora ha s i d o. herramienta d e c i s i v a en l a implementación, l o s r e s u l t a d o s. una logra. dos han s i d o f a c t o r e s importantes para e l d e s a r r o l l o de o t r o s -.

(65) 57. proyectos en e s t a área.. Finalmente, e l problema de e s t a i n d u s t r i a en e l fondo es l a d i f e r e n c i a tan grande entre l a energía promedio consumida y l a — energía d i s p o n i b l e ; estos e s t u d i o s en conjunto han logrado. una. mejor utilización de l a energía y como se ve en l o s r e s u l t a d o s e l f a c t o r de carga es e l elemento económicamente más importante y que debe s e r considerado como l a base de e s t u d i o s p o s t e r i o r e s ..

(66) BIBLIOGRAFIA. FORRESTER JAY W.,. " P r i n c i p l e s o f Systems". W r i g h t - A l l e n. Press.. Cambridge Mass. 1968.. HILLIER F.S., LIEBERMAN G.J., " I n t r o d u c t i o n t o Operations Re search". Holden-Day Inc. Sn. F r a n c i s c o , 1967.. IBM, "General Purpose Simulation System V User's Manual". IBM C o r p o r a t i o n , T e c h n i c a l P u b l i c a t i o n t s Dept. White P l a i n s , 1971.. NAYLOR T.H. e t a l . , "Computer Simulation Techniques". John W i — l e y and Sons, New York, 1967.. WAGNER H.M.,. " P r i n c i p l e s o f Operations Research". P r e n t i c e - H a l l. Inc. Englewood C l i f f s , N.J.. 1967..

(67) APENDICE. A.

(68) 60 PROGRAMA DE SIMULACION.. SIMANT80. Simula e l proceso p r o d u c t i v o. d e l Departamento de Aceración. generalmente por períodos de t r e s meses e i n c l u y e l o s e f e c tos de l o s modelos propuestos. - C o n t r o l de Demanda. - C o n t r o l de P o t e n c i a , - C o n t r o l de Potencia Máxima..

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(84) APENDICE. B.

(85) 77 PROGRAMA DE LIMITE ECONOMICO DE DEMANDA.. LGR E s t e programa c a l c u l a para cada l i m i t e de demanda: - Costo por pérdida de producción. - Costo por demanda. - Costo t o t a l .. Además de determinar e l l i m i t e económico e s t e programa mués t r a en l a t a b l a l a s e n s i b i l i d a d de l o s f a c t o r e s ..

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(89) APENDICE. C.

(90) 82 MODELO MATEMATICO. DE CONTROL DE DEMANDA.. A continuación se muestra l a deducción d e l modelo matemático de demanda p a r a :. - P r o n o s t i c a r Consumo (P2). - Determinar Tiempo de Revisión (T2). - D e c i d i r Desconexión de Hornos. DATOS. (Ver F i g . a continuación).. Rl. PMAX. PX. L. PCNC. XY. TI. DEDUCCION. 1) (WP) 2 = (XY) + (YZJ 2) (YZ)2 = (15 - T2 - PX) (PCNC) 3) (WP)2 = (XY) + (15 - T2 - PX) (PCNC) 4) L = R l = (T2 - TI) (PMAX) + (WP)2 SUSTITUYENDO: 5) L = R l +• (T2 - TI) (PMAX) + (XY) + (15 - T2 - PX) (PCNC) DESPEJANDO: *T2 = (L - R l + (TI) (PMAX) - (XY) - (15- PX) (PCNC))/ (PMAX - PCNC) *P2 = (T2 - TI) PMAX DECISION: S i T2 ^ T I Desconectará uno de l o s hornos. S i T2 > T I Revisión en tiempo T2..

(91) MODELO CONTROL DE DEMANDA FIGURA NO. 20.

(92) APENDICE. D.

(93) 85 PROGRAMA DE CONTROL DE DEMANDA.. LEVO 6 E s t e programa e j e c u t a todas l a s funciones. d e l modelo de Con-. t r o l de Demanda:. - P r o n o s t i c a l a Demanda. - Lee Información de Consumos y Tiempo. - C a l c u l a secuencias. de desconexión.. - Envía señales de conexión y desconexión de hornos. - Envía Información a Hornos. - R e g i s t r a Información en A r c h i v o s ..

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(109) 101 PROGRAMAS DE CONTROL DE POTENCIA.. LEVO 5 E s t e programa se e j e c u t a cuando se presenta. e l problema de. f r e c u e n c i a y envía inmediatamente l a señal de desconexión a uno de l o s hornos.. SELTH E s t a s u b r u t i n a toma l a s d e c i s i o n e s d e l n i v e l a l que se debe conectar. cada uno de l o s hornos de acuerdo con e l modelo. propuesto.. REPOT (LEV07). E s t e programa e j e c u t a todas l a s funciones de C o n t r o l de Potencia . - Lee información de f r e c u e n c i a y p o t e n c i a . - C a l c u l a n i v e l e s de conexión de cada horno (SELTH). - Envía l a s señales de conexión y cambios de n i v e l . - Envía información a hornos. - R e g i s t r a información en a r c h i v o s ..

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(128) 120 PROGRAMAS DE CONTROL DE POTENCIA MAXIMA.. COPMW E s t a s u b r u t i n a l e e l a información de l a p o t e n c i a a c t u a l , c a l c u l a e l pronóstico para e l próximo período de revisión y determina l a necesidad de cambiar de n i v e l .. POCTW E s t e programa e j e c u t a todas l a s funciones de C o n t r o l de Po t e n c i a Máxima. - Determina l a necesidad de cambiar de n i v e l . - Envía l a s señales para cambio de n i v e l . - Envía información a hornos. - R e g i s t r a información en a r c h i v o s ..

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