Automatización del bombeo de agua con sistemas de control distribuido (DCS)

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Automatización del bombeo de agua con sistemas de control distribuido (DCS) 

 

Dedicamos un nuevo artículo a los sistemas de bombeo, equipos de gran consumo energético que condicionan la rentabilidad de muchos negocios. En esta ocasión nos centramos en las opciones que los sistemas DCS tienen en este tipo de instalaciones.

Como ocurre con tantas otras tecnologías, los modernos sistemas de control distribuido ofrecen capacidades que hubiesen parecido increíbles hace tan solo unos años. Características tales como los ambientes de ingeniería gráfica integrada, controles de secuenciación simplificados, e interfaces hombre – máquina mejorados (HMI) hacen que los niveles más altos de automatización sean prácticos desde el punto de vista de la implementación, mantenimiento, y facilidad de uso. El momento de estos avances no puede ser mejor. Conseguir el equilibrio de las plantas existentes sobre la base de la automatización del diseño reduce las necesidades de operadores y es esencial para cumplir la demanda de mejora de la productividad y eficiencia energética en las plantas.

Como ejemplo, el siguiente caso describe la automatización del sistema de alimentación de agua en una planta de generación de ciclo combinado. Los controles legacy DCS existentes están probados y son fiables; sin embargo, la secuencia de las operaciones y coordinación de controles de regulación no estaban automatizados, lo cual requería un alto grado de conocimiento y atención por parte del operador. Este caso describe una combinación de estrategias de automatización de control y técnicas HMI diseñados para incrementar el nivel de automatización total mientras se mejora el uso por los operadores y personal de mantenimiento. (Nota: Los ejemplos DCS fueron desarrollados usando la plataforma SPPA-T3000 DCS de Siemens.

Disposición en planta hipotética

La planta hipotética consiste en dos turbinas de combustión de ciclo combinado, cada una de ellas con un generador de vapor para recuperación de calor (HRSG). Ambas unidades HRSG se acoplaron a una única turbina de vapor con un alimentador de agua caliente suministrado con un condensador y el hotwell, el receptáculo para el agua caliente extraído del condensador por la bomba de aire.

Mirando un único HRSG, el tren de agua de alimentación consiste en un par de bombas de agua de alimentación y una serie de tres tambores de baja presión (LP), cabezales de vapor de alta presión (HP) y presión intermedia (IP). Las bombas de alimentación de agua transfieren el agua de alimentación del tambor de LP a los tambores IP y HP. Se mantienen mínimos caudales a través de la bomba por una línea de recirculación hacia atrás del tambor LP con válvula de modulación y punto de referencia de caudal variable calculados por las curvas de operación del fabricante de la bomba. Ambas bombas comparten las líneas de suministro y válvulas a los drums IP y HP. Cada bomba está equipada con un variador de frecuencia variable para el control de la velocidad y tiene una bomba de aceite dedicada.

Control de nivel del tambor existente

El control del agua de alimentación a los tambores  IP y HP consisten tanto en el control simple y de tres elementos. Los controles de tres elementos modulan la válvula de alimentación a cada tambor basándose en el nivel. El control de tres elementos usa caudal de vapor del tambor como una señal feedforward a un controlador del caudal del agua de alimentación cuyo punto de referencia es modulado para mantener el nivel del tambor deseado. La velocidad de la bomba se modula para ajustar los caudales IP y HP en coordinación con las válvulas de alimentación de agua de la siguiente forma:

·       Control de variador de frecuencia variable y válvulas del agua de alimentación se aplican independientemente del control de nivel de uno o tres elementos.

·       Los variadores de velocidad funcionan a mínima velocidad, modulando la válvula IP para mantener el nivel del tambor IP y la válvula de arranque de HP para mantener el nivel del tambor HP hasta que la válvula de arranque de HP esté completamente abierta.

·       Una vez la válvula de arranque de HP está completamente abierta, el variador modulará para mantener la válvula IP dentro de su rango de corriente (<85 %).

·       Si la válvula IP está >85 % abierta y la válvula de arranque HP está completamente abierta, se incrementa la velocidad del variador hasta que la salida de la válvula IP es <85 %. Se modula la válvula del agua de alimentación principal HP para mantener el nivel del tambor HP.

HMI de la línea base existente

La interface del operador existente para cada tren del agua de alimentación consiste en tres gráficas de pantalla completa. La primear es una esquemática lineal del sistema de agua de alimentación, mostrando las bombas y líneas de descarga, pero no los tambores. La segunda gráfica es una colección de placas para el control de dispositivos discretos y controles regulatorios. El último display es una colección tabular de datos de operación de planta, incluyendo bombas de agua de alimentación. Cada bomba de alimentación tiene numerosos enclavamientos del proceso que no son accesibles desde el HMI.

Asunciones del caso estudiado

Las asunciones para el caso estudiado son las siguientes:

·        Sólo se consideran operaciones normales (no potencias aumentadas).

·        El fallo de las bombas arrancará el dispositivo de standby sin válvulas de descarga comunes.

·        La orden de cierre parará todas las bombas y cerrará las válvulas en el sistema de alimentación.

·        Los variadores de frecuencia y coordinación de las válvulas del agua de alimentación como se suministra en las tuberías apareció incorrecta.

Estrategias de control propuestas

Los operadores y personal de mantenimiento pueden usar numerosas estrategias de control para mejorar la operación de sus sistemas de bombas de alimentación de agua.

Control en bucle abierto

Hay muchos métodos posibles para automatizar los sistemas de bombas de alimentación de las calderas. El método elegido minimiza el número de secuencias así que el operador puede fácilmente seguir las acciones del sistema de automatización. La secuencia se usa para colocar el equipo en servicio y colocar los controles del bucle cerrado en los modos relevantes, tales como relleno, nivel del tambor de arranque, y control de nivel del tambor normal. La lógica de protección se lleva a cabo directamente al nivel del dispositivo. Una operación principio es que el operador tiene la opción de controlar en cualquier momento.

Secuencia lógica

La secuencia completa no comienza con el funcionamiento de las bombas, sino que el operador debe llevar a cabo los controles manuales requeridos. Una vez que el sistema está listo, se aíslan los tambores IP y HP, la trayectoria de recirculación se abre, arrancan las bombas de aceite, y la bomba seleccionada arranca.

Parada

La secuencia de parada inicia el cierre de las válvulas de aislamiento y el agua de alimentación IP y HP, además de las bombas de agua de alimentación y bombas de aceite.

Conceptos de HMI para robustez

Varios conceptos integrados en el HMI tienen el propósito de mejorar la interface del operador. Un gráfico de proceso simple simplifica la navegación además de controlar el sistema de alimentación.

Gráficos de proceso simples

Un gráfico de procesos consolidado simple abarca los componentes principales del sistema de alimentación de agua, incluyendo los tambores LP, IP y HP.

Estrategias de control de variador de frecuencia variable

Probado que se mantiene una operación estable, reducir la carga de la bomba da como resultado un ahorro de energía significativo. Asumiendo una carga eléctrica de planta de aproximadamente 1,5 MW para la bomba de alimentación, una reducción del 10 % en la carga de la bomba ahorrarán alrededor de 1.300 MWh anualmente.

El variador arranca a mínima velocidad (un 35 % de cobertura respecto a máximos). Se incrementa en lo que sea necesario una vez que las válvulas están en el extremo superior de su rango de control y sólo modulan mientras la válvula IP está abierta menos de un 85 %. Una consecuencia de esta estrategia es una respuesta de control inconexa y un acoplamiento no deseable de los niveles del tambor IP y HP. Por ejemplo, cuando se incrementa la velocidad del variador, las válvulas IP y HP estrangulan en respuesta a un incremento del caudal. Una vez que la válvula IP estrangula por debajo de 85 %, el variador queda por encima de su velocidad mínima indefinidamente. Una aproximación alternativa es cambiar la estrategia del variador introduciendo un controlador de anulación. Por simplicidad, se usa una salida simple para el tambor HP. Por simplicidad, se usa una salida simple para el drum HP.