CAPÍTULO II MARCO TE ÓRICO - Universidad Rafael Belloso ...
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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Este capítulo está dedicado a la revisión de la literatura que describen y
analizan los estudios realizados en relación con el objeto de estudio. Este
tiene el propósito de dar a la investigación un sistema coordinado y
coherente de conceptos y proposiciones que permitan abordar el problema.
Significa poner en claro para el propio investigador sus postulados y
supuestos, asumir los frutos de investigaciones anteriores y esforzarse por
orientar el trabajo de un modo coherente. De este modo, el fin que tiene el
marco teórico es el de situar el problema que se está estudiando dentro de
un conjunto de conocimientos, que permita orientar la búsqueda y ofrezca
una conceptualización adecuada de los términos que se utilizarán en el
trabajo.
1. ANTECEDENTES Los antecedentes que conforman esta investigación están centrados en
trabajos que han estudiado y propuesto planes para optimizar el control y
funcionamiento de turbinas así como también del diseño e implantación de
sistemas de control a lazo cerrado.
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El primer antecedente a mencionar lo constituye el presentado por Bravo,
Carrasco y Soto (2007) en su trabajo de grado denominado “Control de
Velocidad de Rodamiento de una Turbina de Vapor de 350MW” realizado en
el Instituto Politécnico Nacional de México, la cual tuvo como finalidad
proponer un sistemas de control de velocidad de rodamiento de una turbinas
de vapor de 350MW en la central termoeléctrica Manzanillo II, a partir del
diseño e implementación de un sistema de control de velocidad digito-
electro-hidráulico. El principal objetivo fue disminuir los costos de generación
eléctrica para así evitar los tiempos muertos debido al mantenimiento que
recibe dicho sistema actualmente, ya que el sistemas digito-electro hidráulico
es más económico y efectivo.
La investigación se fundamentó en la teorías de Ogata (2003) en su libro
de “Ingeniería de Control Moderna” y en Mataix (2000) en su libro “Turbo
Máquinas Térmicas: Turbinas a Vapor, Turbinas a Gas y Turbocompresores”,
para el manejo de manera efectiva e implementación necesaria del control de
velocidad de turbinas a vapor. Esto se constituyó en un sistema a base de un
Controlador Lógico Programable SLC 5/05 (PLC) marca Allen Bradley y una
interfaz digital hombre-máquina basada en Visual Basic, de manera que
dicho proceso se pudiera controlar desde una computadora por un operador.
Metodológicamente fue basada en la teoría Ortiz (2004), la investigación
era proyectiva, ya que se basaba en la propuesta de una solución a un
problema de necesidad práctica, embarcada a una empresa en específica,
en la cual se habían diagnosticado los problemas y defectos presenten en el
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proceso realizado dentro la misma, conseguidos a través de una
investigación realizada previamente. La recolección de los datos fue de
observación directa en la instalación. La metodología fue desarrollada en 3
fases contempladas como la determinación de los objetivos a cumplir, la
selección adecuada de las muestras del objeto del estudio de estudio y la
recolección de información para su posterior análisis.
En este se logró llegar al objetivo cumpliendo optimización de las turbinas
a vapor de 350MW aportando un sistema de control digito-electro-hidráulico,
para así mismo traer como resultado el control de velocidad de rodamiento
de velocidad de las misma como también el ahorro financiero en los costos
de mantenimiento y compra de equipos necesario para dicho control en un
41,14%.
Por otro lado, Blanco, Romero y Viggiani (2010) realizaron el trabajo de
grado denominado “Sistema de Mantenimiento Preventivo de Turbinas a Gas
para Centrales Termoeléctricas”, realizado en la Universidad Dr. Rafael
Belloso Chacín. Esta investigación tuvo como propósito el desarrollo de un
sistema de mantenimiento preventivo de turbinas a gas para centrales
termoeléctricas, la cual tuvo como finalidad proponer una solución efectiva a
problemas incidentes en dichas plantas cuando están en funcionamiento,
debido a su gran importancia como fuente generadora de energía eléctrica.
Por lo cual se tuvo como objetivos la implementación de un sistema de
programación, planificación, control y evaluación continua de las turbinas a
gas utilizadas.
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La investigación se fundamentó en las teorías de Duffua, Raouf y Dixon
(2007), por lo que la investigación fue de tipo proyectiva, descriptiva, de
campo y documental considerando los métodos y forma de obtener los datos
del proceso a mejorar. Esto permitió la implementación de un sistema
programación, control y planificación de mantenimiento que pudiera prevenir
daños irreversibles en las plantas de gas, por lo que el gasto realizado en la
misma era reducido considerablemente debido a su efectividad y mayor vida
útil.
Por otra parte la investigación fue de tipo ecléctica expuesta por Duffua
(2002), Cengel (2007), Busquet y Herrando (1998), dividiéndose en cinco
fase denominadas: definición de los requerimientos, desarrollo de las
actividades para una turbina a gas, programa de mantenimiento, control de
programa y análisis de los resultados respectivamente.
Por último, como resultados obtenidos de forma cualitativa de dicha
investigación se logró conseguir lo propuesto logrando el mantenimiento que
produjera mayor vida útil a las turbinas a gas funcionando dentro de los
rangos requeridos de operación en la instalación, aportando así un programa
preventivo de danos planificado de tal manera que mejorara los métodos de
operación de dichas maquinarias y los costos que en ella se invertían.
Flores (2006) desarrollo un trabajo de investigación titulado “Diagnóstico
de fallas en el turbogenerador a vapor de una central de generación de Ciclo
combinado”, en el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
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Coordinación de Mecatrónica (Cenidet), en la cual tuvo como propósito
general desarrollar un sistema de diagnostico de fallas basado en modelos,
de acuerdo con la teoría de control, con capacidad de detectar y localizar
fallas en los sensores y actuadores del turbogenerador a vapor de una
central de generación de ciclo de combinación.
Para la fundamentación teórica de dicha investigación se consultaron
autores como Alocarta (2001), Blanke (1996), Castelo (1993), entre otros. El
tipo de metodología aplicada en esta investigación es de tipo descriptiva y de
campo, la cual se basa en el análisis de proceso directamente, y
recolectando dichos datos a través de un instrumento de sondeo de valores
en el funcionamiento de la turbina a vapor y gas.
El estudio general de dicha investigación tuvo como objetivo, la detección
de fallas en los procesos tecnológicos mediante monitoreo en la central de
generación de ciclo combinado que permita la generación de energía
eléctrica mediante el aprovechamiento del vapor para dichas turbinas, la cual
fue desarrollada en tres fases denominada: análisis del sistema, detección y
localización de fallas.
Por último, la investigación realizada tuvo como aporte principal el diseño
de un sistema de diagnóstico de fallas basado en modelos de acuerdo la
metodología FDI (Fault Detection and Isolation) que usa la redundancia
analítica, que trajo como resultado la capacidad de detectar y localizar fallas
en los sensores y actuadores del turbogenerador a vapor de una central de
generación de ciclo combinado.
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El siguiente antecedente a mencionar representa la investigación
efectuada por Gamboa (2009), titulada “Desarrollo e implementación de
algoritmos de control para turbinas de gas combustible”, Universidad de los
Andes (ULA), dicho estudio pretendía la identificación de las tecnologías y
metodologías de desarrollo disponibles para el control de turbinas a gas a
combustible que permitan comparaciones con cualquier aplicación de control
existente en la industria y explicar cómo pudiese ser la implantación de
dichos enfoques en un PLC, para así contribuir con una generación de
mecanismos para la regulación de turbinas a gas combustible bajo
plataformas de automatización.
La metodología desarrollada en esta investigación fue propiamente
aplicada por el autor, basándose en los siguientes autores Kuo y Ogata.
Esta investigación se realizo en tres fases la cual el autor las identifico como
construcción de modelos de control, simulación e implementación en Matlab
e implementación de controladores en el PLC.
En este trabajo, la investigación fue de tipo descriptiva, ya que se
realizaron diferentes cálculos matemáticos para la construcción de los
modelos de control. También se puede decir que fue de tipo documental,
debido a que el autor se dirigió al ambiente donde se desarrolla el proceso,
para realizar la recolección de datos que le ayuden a comprender mas el
problema, así como, para conocer más a fondo el área donde se encuentra
el problema.
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Para finalmente lograr diseñar una ley de control convencional de acuerdo
a las especificaciones de funcionamiento propuestas y las restricciones de
los actuadores presentes en dicho proceso. Su ejecución fue programada a
través de la herramienta matemática Simulink& #8722; MatlabTM destinado a
generar el código en texto estructurado correspondiente a los enfoques de
control. Donde se concluyo cómo podrían ser implantados los controladores
en el Computador Lógico Programable (PLC) bajo la Plataforma-Logix, cuyos
elementos XIII y variables pueden ser modificados automáticamente a través
de un sistema de supervisión basado en esta tecnología.
Por otro lado Méndez (2008), llevó a cabo una investigación titulada
“Optimización del sistema de control del suministro de gas a la turbina de la
estación de Bombeo Pajuizal”, en la Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín,
la cual pretendía la resintonización del control PID, para lograr un tiempo de
estabilización de la turbina en un periodo corto y evitar de esta manera los
aumentos y disminución de velocidad bruscamente para alcanzar el nivel de
estabilidad requerido.
En dicha investigación, la metodología utilizada fue propia adaptada por el
autor, tomando como referencia la metodología propuesta por Savant, Roden
y Carperter, desarrollando el trabajo en tres fases fundamentales.
Cabe de destacar que la presente investigación fue de tipo aplicada,
descriptiva y longitudinal prospectiva, ya que la preocupación principal de
esta radica en descubrir las características fundamentales de las variables en
estudio una vez planteada la investigación. Partiendo de las necesidades del
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modelo, se busca como fin directo la optimización del sistema del control
para el arranque de la turbina de la estación en un plazo de tiempo corto,
para así finalmente lograr la optimización del sistema de control PID, el cual
fue moldeado y simulado previamente dado resultados favorables.
La metodología aplicada fue de tipo ecléctica fundamentada en los
siguientes autores: Duffua (2002), Cengel (2007), Busquet y Herrando
(1998), realizada en cinco fases determinadas por la definición de los
requerimientos, desarrollo de actividades para la turbina de gas, programa de
mantenimiento, control de programa y análisis de los resultados realizados
cualitativamente. La recolección de datos se realizó en técnicas, tales como,
la observación directa, revisión documental, entrevista, y como instrumento
un cuadro de sondeo sobre el mantenimiento preventivo de las turbinas.
El resultado obtenido fue favorable, alcanzando todas las metas trazadas
ya que se logro optimizar el sistema de control PID aplicado a la válvula de
suministro de gas a la turbina de la estación y también se pudo aplicar las
diferentes técnicas de control simulando y seleccionando un controlador más
apropiado.
2. BASES TEÓRICAS: Las bases teóricas que conforman esta investigación están
fundamentadas en una serie de conceptos de variables, que constituyen un
cuerpo unitario y no simplemente un conjunto arbitrario de definiciones, por
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medio del cual se sistematizan, clasifican y relacionan entre sí los fenómenos
particulares a estudiar en este proyecto. Entre estos están los sistemas de
control, servomotores, turbinas, controladores lógicos programables y toda
aquella variable que sea indispensable en el desarrollo de esta investigación.
2.1. SISTEMAS DE CONTROL Según Dorf, R. (2005, p.3) un sistema de control “una interconexión de
componentes que forman una configuración del sistema que proporcionara
una respuesta deseada del sistema.” Entonces se puede decir que la base
para el análisis de un sistema es el fundamento proporcionado por la teoría
de los sistemas lineales, la cual supone una relación de causa-efecto para
los componentes de un sistema. Por tanto, un componente proceso vaya a
ser controlado puede representarse mediante un bloque como el da la figura
1. La relación entrada-salida representa la relación de causa y efecto del
proceso.
Por último se puede determinar que un sistema de control es aquel que
proporciona una relación de entrada-salida, comparando ambas variables
con la proporción implementada, para que la misma pueda controlar el
sistema y corregir dichos errores.
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Figura 1. Sistemas de Control Moderno Fuente Dorf (2005)
2.1.1. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL Según Ñeco (2003, p.37) “En todo sistema de control aparecen
claramente diferenciados una serie de elementos de características al mismo
que es necesario clarificar:
Variable a controlar: Generalmente se le conoce como señal de salida.
Constituye la señal que deseamos que adquiera unos valores determinados.
En el ejemplo anteriormente descrito la señal de salida o variable a controlar
seria la temperatura ambiente de la vivienda de una habitación determinada.
Planta o Sistema: La planta o sistema constituye el conjunto de elementos
que realizan una determinada función. En el ejemplo propuesto la planta o
sistema lo constituiría toda la viviendo en su conjunto. El sistema estaría
determinado por las relaciones de transmisión de calor en la misma con las
aportaciones y fugas que presentase en función de sus características.
Sensor: El sensor es el elemento que permite captar el valor de la variable
a controlar en determinados instantes de tiempo. En el caso propuesto
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consistiría en el elemento que permitiría conocer la temperatura de la
vivienda en determinados momentos.
Señal de referencia: Es la señal consigna o valor que deseamos que
adquiera la señal de salida (objetivo de control). En el ejemplo indicaría la
temperatura que deseamos que tenga la vivienda a lo largo de la jornada.
Actuador: El actuador es el elemento que actúa sobre el sistema
modificando de esta forma la señal de salida. En el caso de un sistema de
calefacción consistiría en la caldera que permite aportar mayor o menor
cantidad de calor sobre el sistema o planta (vivienda) a regular.
Controlador: El controlador o regulador es el elemento que comanda al
actuador en función del objetivo de control. En el ejemplo planteado
anteriormente, el regulador tendría como misión decidir cuál debe ser la
aportación de la caldera en todo instante para mantener el objetivo de control
(temperatura de la vivienda)
Todos estos elementos aparecen de alguna u otra forma en casi todo
sistema de control. Identificar y estudiar cada uno de ellos de una forma
correcta resulta esencial para poder diseñar un controlador que permita
alcanzar el objetivo de control deseado en todo instante.
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2.1.2 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL Para Ñeco, R. (2003) los sistemas de control se pueden clasificar de la
forma en que estos trabajan e configuran, y estos se clasifican de la siguiente
forma:
2.1.2.1 SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO Un sistema de control de lazo abierto según Ñeco, R. (2003, p.6) “es
aquel en el que la señal de salida no influye sobre la acción de control.” De
esta forma el controlador o regulador no tiene en cuenta el valor de la señal
de salida, ni se compara esta con la señal de referencia para decidir la
actuación en todo instante sobre el sistema. Se observa como caso más
típico de un sistema de control en bucle abierto lo constituye la lavadora
eléctrica donde el sistema de control va modificando el tiempo, la
temperatura del lavado de la ropa (que constituiría el objetivo de control). De
esta forma el usuario decide el programa que desea realizar (señal de
referencia), y el controlador actúa sobre los diferentes mecanismos del
sistema (lavadora) de forma que realiza una serie de actuaciones sin tener
en cuenta la señal de salida.
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2.1.2.2 SISTEMA DE CONTROL A LAZO CERRADO En los sistemas de control a bucle cerrado según Ñeco, R. (2003, p.6)
“existe una realimentación de la señal de salida o variable a controlar. En
este tipo de sistemas se compara la variable a controlar con la señal de
referencia de forma que en función de esta diferencia entre una y otra, el
controlador modifica la acción de control sobre los actuadores de la planta o
sistema.”
2.1.3 TIPOS DE VARIABLE ASOCIADO AL CONTROL Según Sánchez, J. (2006, p.159), “Asociado al control aparecen tres tipos
de variables que es necesario conocer:
• Variable controlada (CV): Es la característica de calidad o cantidad
que se mide y controla. La variable controlada es una condición o
característica del medio controlado, entendiendo por la materia o
energía sobre la cual se encuentra situada esta variable. Por ejemplo,
cuando se controla automáticamente la temperatura del agua, la
variable controlada es la temperatura mientras que el agua es el
medio controlado.
• Variable manipulada (MV): es la cantidad o condición de materia o
energía que se modifica por el controlador automático para que el
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valor de la variable controlada resulte afectado en la proporción
debida. La variable manipulada es una condición o característica de la
materia o energía que entra al proceso. por ejemplo, cuando el
elemento final de control modifica el caudal de vapor de proceso, la
variable manipulada es el caudal mientras que el vapor es la energía
de entrada.
• Variable de perturbación (DV): Es toda variable que tiene influencia
sobre la variable controlada pero no puede ser modificada
directamente por la variable manipulada.
2.1.4. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL Para Creus, A. (2006, p.485) “los sistemas de control se clasifican según
la necesidad de instrumentación que se presenta en la planta o sistema”,
estos se clasifican de la siguiente manera:
2.1.4.1. CONTROLADOR AUTOMÁTICO Según Sánchez, J. (2006, p.159), “Un sistema de control automático mide
una variable y actúa de una forma determinada para que esa variable se
mantenga en un valor deseado o de referencia. Un sistema de control no
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automático, al actuar en lazo abierto, puede hacer cambiar el valor de la
variable pero no llevarla al valor de referencia.
Cuando un controlador automático detecta que la variable no está en el
punto deseado, aplica una corrección al proceso. Mide de nuevo el efecto
producido por esa primera corrección y aplica una segunda corrección, y así
sucesivamente. Realmente, las correcciones y mediciones no se aplican por
etapas o pasos, sino que un controlador está midiendo y corrigiendo
continuamente.
En los controladores automáticos se ha incorporado una habilidad que
corresponde al elemento humano. Esa habilidad es la de sentir una condición
correcta o incorrecta y actuar para corregirla. Las ventajas que se derivan
porque una máquina realice algunas funciones que hace el hombre son
obvias, sobre todo cuando la maquina llega a superar al hombre en esa
función. Un controlador automático no se cansa, no necesita dormir, ni sale
de vacaciones; siempre está al cuidado del trabajo encomendado.”
(A) ELEMENTOS DE UN CONTROLADOR AUTOMÁTICO Los elementos de un bucle de control de control según Sánchez, J. (2006,
p.160)”pueden clasificarse de la forma siguiente:
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• Sistema de medición: Son los elementos que se utilizan para
determinar y comunicar al sistema de control de control el valor de la
variable controlada, o variable de proceso.
• Elemento primario: Es la parte del sistema de medición que transforma
energía del medio controlado para producir un efecto como respuesta
a cualquier cambio en el valor de la variable controlada. El efecto
producido puede ser un cambio en presión, fuerza, posición o
eléctrico. Por ejemplo, un termopar transforma energía calorífica en
energía eléctrica (mili voltios) debido al efecto Peltier.
• Sistema de control: Son los elementos del controlador automático
relacionados con la generación de la acción correctiva. Este sistema
compara el valor de la variable de proceso con el punto de consigna,
detectando el error. La acción correctiva se genera en función del error
mediante el algoritmo de control correspondiente.
• Unidad de potencia: Es la parte del sistema de control que aplica
energía para accionar el elemento final de control. Por ejemplo, el
servomotor que acciona una válvula automática.
• Elemento final de control: Es la parte del sistema de control que
modifica directamente el valor de la variable manipulada. En una
válvula automática es el conjunto de obturador y asiento.
Habitualmente se da el nombre de elemento final de control al
conjunto de unidad de potencia y válvula automática.
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2.2 CALDERAS La definición de calderas según Bermúdez, V (2000, p.59) “es todo
aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía
se trasforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de
transporte en fase líquida o vapor”.
Las calderas se pueden definir como una máquina diseñada para generar
vapor el cual luego es distribuido por los emisores mediantes redes de
tuberías y dichos emisores se encargaran de transformarla en energía
utilizable.
2.2.1 TIPOS DE CALDERAS Existen cuatro tipos de calderas clásicas según Rosaler, R. (1998, P.4-4)
“las residenciales (calentadores), las comerciales, las industriales y las de
servicios públicos, dichas calderas es su mayoría producen vapor o agua
caliente para utilizarla posteriormente según el tipo”
Las calderas residenciales también conocidas como calentadores son
normalmente utilizadas en residencias privadas, las cuales en estas
residencias se encargan de producir vapor o agua caliente utilizada
principalmente para aplicación de calefacción. Otro tipo de calderas son las
industriales las cuales en su mayoría son utilizadas en procesos industriales,
pero a su vez también son utilizadas pasa calefacciones.
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Las calderas comerciales como su nombre lo indica son aplicadas en
calefacciones comerciales mediante la producción de vapor o aguas
calientes y en ciertos casos para otro tipo de operaciones. También existen
las calderas de servicios públicos las cuales se utilizan principalmente para
producir electricidad a través del vapor que estas calderas producen.
2.2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CALDERAS Según Llera, E (2010, p.110) “el contenido energético de estos gases se
aprovecha en calderas para calentar un fluido mediante una superficie de
intercambio. El fluido que ha aumentado su temperatura servirá
posteriormente para calentar las estaciones. Finalmente, los gases de
combustión que han cedido gran parte de su temperatura, son evacuados
por una chimenea”.
Se puede decir según lo planteado anteriormente por el autor, el principio
de funcionamiento de las calderas se basa en la recuperación de las calorías
residuales a través de un precalentado por el cual se introduce el aire
comburente en la caldera, luego este aire es inyectado al quemador,
seguidamente un serpentín monotubular de diámetro variable calentado con
llamas y humos con altas temperaturas, por el serpentín un flujo de agua, la
cual luego de ser calentada se transforma en vapor que se somete a un
proceso de separación para obtener vapor perfectamente seco cuando este
se requiere.
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2.2.3 COMPONENTES DE LAS CALDERAS Los componentes encontrados en una caldera de vapor se dividen de la
siguiente manera según Rosaler, R (1998, P.4-12) “hogar o fogón, sección
de la caldera, sobrecalentador, calentadores de aire y los economizadores
(otro tipo de unidad de recuperación de calor)
Según los componentes antes planteados por el autor se pueden definir
de la siguiente manera:
• Hogar o fogón: en el hogar se la liberación de calor en las calderas, el
principal funcionamiento de este componente es permitir que el
combustible pueda realizar su combustión, para el cual es necesario
que el tamaño del hogar sea el adecuado para que este proceso de
combustión pueda llevarse a cabo de forma correcta.
• Sobrecalentador: este se utiliza para adquirir calor adicional, este calor
adiciona es una gran ganancia de energía de vapor. Los calentadores
pueden ser de tipo radiante o por convección, los radiante son los que
por lo general los tubos que lo componen se localizan en la sección del
hogar de la caldera.
• Economizadores: es un componente que se encarga de elevar la
temperatura del agua de alimentación de la caldera, a su vez es
encargada de incrementar la eficiencia general al eliminar el consumo
extra de combustible para realizar el trabajo de dichas calderas.
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• Calentadores de agua: es el componente que se encarga de
precalentar el aire, para utilizar con la combustión antes de ponerla en
contacto con el combustible. También incrementa la eficiencia,
encargándose de disminuir el consumo de combustible adicional.
2.2.4 CONTROL Y REGULACION DE LAS CALDERAS Para Llera, E. (2010, p.120) “los sistemas de control avanzados pueden
instalarse en un sistema de calefacción existente y la inversión puede
amortizarse en un corto periodo de tiempo. Los dispositivos de regulación y
control más comunes son: reloj programable, cronotermostato, válvulas
termostáticas”.
Analizando lo que establece el autor, se puede decir, que el control y
regulación de las calderas depende de la energía que entra en dicha unidad,
la cual es manipulada por medio de controladores utilizados según sea el
caso para actuar sobre el combustible, uno de los controladores de presión
más utilizados son las válvulas.
2.2.5 APLICACIÓN DE LAS CALDERAS Según Rosaler, R. (1998, p.4-5) “el objetivo principal de las calderas es
generar vapor o aguas calientes a elevadas temperaturas, dichos vapores o
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aguas se producen mediante la transferencia de calor del proceso de
combustión que ocurre en el interior de la caldera”.
Las calderas se diseñan con distinta presión y temperatura dependiendo
de donde se quiera utilizar esta caldera. Una unidad diseñada para calentar
universidades tienen que ser de gran capacidad y no son las mismas
utilizadas para calentar empresas industriales, aunque cumplen la misma
función de calentar tienen capacidades distintas y su tamaño varia, debido a
que el hogar de la caldera para la industria es de mayor tamaño para lograr
la energía que se necesita generar para cumplir con su funcionamiento
dentro de la empresa.
Las calderas utilizadas en las centrales eléctricas son diseñadas a base
de costo de producción de electricidad, siempre teniendo en cuenta la
confiabilidad y seguridad de esta caldera para ser empleada dentro de estas
industrias. También se debe de tomar en cuenta para la aplicación de
calderas determinar la cantidad de vapor que se necesita para satisfacer las
necesidades de la industria donde va a ser implementada esta caldera,
donde esta se encargara de producir energía.
2.2.6 CLASIFICACION DE LAS CALDERAS Según establece el autor anterior, “las calderas son clasificadas
generalmente son clasificadas según sus características y estas se dividen
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en dos tipos, como lo son las calderas de tubo de humo (pirotubulares) o de
tubos de aguas (acuotubulares)”.
Analizando los tipos de calderas antes planteado por el autor, los
acuotubulares son aquellas calderas en las que se desplaza en fluido de
trabajo por tubos durante su calentamientos, estas calderas son las más
utilizadas en centrales termoeléctricas debido a que permiten trabajar con
altas presiones a su salida y por tener una gran capacidad de generación, las
de tipo pirotubulares se conforma por recipiente atravesado por tubos, por los
cuales circulan gases de altas temperaturas producidas por un proceso de
combustión, en fluido que se trabaja en este tipo de calderas es líquido y se
evapora cuando este entra en contacto con los tubos debido a la circulación
de gases a altas temperaturas.
2.2.7 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTOS DE LAS CALDERAS Continuando con lo establecido por el autor anterior “antes de realizar
cualquier preparación para arrancar una caldera, nueva o no, debe tenerse a
mano el manual del operario proporcionado por el fabricante de la caldera
para cada modelo en particular”.
Según lo antes establecido por el autor, se puede destacar que para la
operación y mantenimiento de las calderas se debe tener a la mano el
manual de operación de la caldera. También es importante que el personal
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encargado de colocar en funcionamiento esta unidad, siga con cuidado los
procesos que se encuentra descritos en dicho manual.
Cuando la caldera que se hará funcionar es nueva, se debe de realizar
una serie de operaciones inicial, para garantizar una mayor eficiencia en la
cual operara la maquina, así también alargando la vida útil y el mejor
funcionamiento de esta caldera. También es bueno destacar, que al
momento de realizar mantenimiento a estos equipos, se debe de asegurar
que el área que rodea la caldera debe de permanecer limpia, libre de polvo y
de desperdicios.
2.2.8 MODELOS DE CONSTRUCCION DE LAS CALDERAS Según establece Ramírez, J. (1995, P. 301) “los modelos constructivos de
las calderas más utilizados en las centrales térmicas son: sin circulación de
agua, con circulación natural, con circulación controlada, con circulación
forzada y calderas especiales”.
Continuando con lo establecido por el autor anteriormente, se pueden
desarrollar de la siguiente manera:
• Calderas sin circulación de agua: en estos modelos el agua solamente
circula con el movimiento provocado por el desplazamiento del vapor
que se produce a través de la masa de agua.
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• Calderas con circulación natural: en este modelo de calderas existen
dos columnas, una ascendente y otra descendente, y son las que se
encargan de la circulación natural en el sistema de calentamiento,
mediante la diferencia de pero entre las dos columnas antes
mencionadas, en la mayoría de los casos la columna que tiene menor
peso, es la que tiene temperatura más elevadas. También existen
casos, en los cuales se encuentran las dos columnas a la misma
temperatura, y la diferencia de pero en ellas se determina, debido a la
presencia de vapor producida por el calentamiento.
• Calderas con circulación controlada: la principal característica de este
modelo de calderas es para aumentar o disminuir la circulación bien
sea de vapor o de agua, utilizan bombas para controlar este proceso.
Entre las calderas de circulación controlada más conocidas se puede
destacar la caldera La Mont, en la cual su funcionamiento se
caracteriza por tener situada bajo el depósito de caldera una bomba de
circulación, esta se encarga de hacer circular agua en uno o varios
colectores de la caldera.
• Calderas con circulación forzada: estas calderas se caracterizan por
tener una fuerza exterior encargada de la circulación de agua por la
caldera. También son conocidas como calderas de circuito abierto, por
el hecho de que en uno de sus extremos tiene una entrada tubular de
agua, y su salida es en forma de vapor por el otro extremo.
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• Calderas especiales: este modelo de calderas utiliza combustible
clásico su construcción puede es especial, y esto es debido a que está
destinada a permitirle cumplir ciertas condiciones de funcionamiento,
bien sea en el lado del agua o en la parte relacionada con el
combustible.
2.2.9 SEGURIDAD EN LA OPERACIÓN DE LAS CALDERAS Según establece Acedo, J. (2003, P. 369) “En toda caldera debe existir
siempre un sistema de protección o enclavamiento que garantice la
seguridad en la operación de la misma. Normalmente este sistema de
seguridad está relacionado directamente con la combustión”.
Desarrollando de forma simplificada la seguridad de operación de las
calderas se puede dividir de la siguiente manera:
• Es necesario realizar una serie de pruebas con aire a los caudales
durante un tiempo prefijado, esto se realiza con el fin de eliminar el
combustible que existe en el hogar, para que no se cree una atmosfera
explosiva.
• En necesario de que siempre exista cierto nivel de agua en el calderín
de vapor.
• La presión del combustible debe de estar aplicado en su valor correcto.
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2.2.10 CONTROL DE ALIMENTACION DE AGUA DE LAS CALDERAS El autor anterior establece que “El agua entra al calderín y, después de
absorber en los tubos el calor de la combustión, genera el vapor producido
por la caldera. En una operación correcta, es necesario que el nivel de agua
se mantenga dentro de una banda alrededor del punto de consigna del
controlador”.
La producción de energía de alimentación de las calderas depende del
volumen de agua que existe en el calderín, en este se pueden producir
cambios de volumen, los cuales dependen de la presión de la unidad,
cuando disminuye la presión del calderín, esto trae como consecuencia una
alta producción de burbujas lo cual a su vez produce que el volumen
aumente cuando en realidad debería disminuir, en el caso que aumenta la
presión del calderín pasa todo lo contrario.
2.3. TURBINA A VAPOR
Según Jaume, L. (2004, p.91) las turbinas de vapor “son máquinas
térmicas que generan energía a partir de vapor a alta presión y temperatura;
este vapor se expansiona hasta una presión menor y parte de la diferencia
de entalpia entre el vapor entrante y saliente, se convierte en energía
mecánica en el eje de la máquina”.
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También Greene, R. (1987, p.187) define lo siguiente “La turbina de vapor
es un motor primario satisfactorio y confiable para muchas máquinas de
proceso”. Se suele utilizar para la propulsión de bombas, ventiladores,
sopladores y compresores; también se emplea a menudo en los generadores
eléctricos para servicio de emergencia o para suministro de energía eléctrica
en plantas remotas”.
De lo anteriormente definido se puede decir, que las turbinas de vapor son
motores que convierten o transforman en energía mecánica, la energía
proveniente del vapor. El uso o aplicación de las turbinas a vapor, casi
siempre forma parte del proceso de producción eléctrica en una planta
generadora de electricidad.
2.3.1 COMPONENTES DE LAS TURBINAS A VAPOR (UNA ETAPA)
Greene, R. (1987, p.191) resalta que los “componentes de las turbinas de
una sola etapa son los siguientes:”
(A) CARCASAS
Las carcasas suelen estar divididas horizontalmente en la línea de centros
de árbol, lo cual permite desmontar la mitad superior de la misma y sacar el
rotor completo sin desconectar las tuberías para vapor. En los tamaños más
40
pequeños, a veces se utilizan carcasas divididas en sentido vertical. En la
norma API 611 para turbinas de uso general se especifica que la carcasa
dividida en sentido vertical se puede utilizar hasta para 100 hp. Algunos
fabricantes ofrecen también turbinas con árbol vertical, en unos cuantos
tamaños; a veces son útiles para la propulsión de bombas verticales.
(B) TOBERAS (BOQUILLAS) Son de varios tamaños estandarizados, y el flujo de vapor requerido se
hace pasar por todas las toberas de este tipo que sean necesarias. Suelen
estar en la mitad inferior de la carcasa, como aberturas múltiples en un anillo
semicircular, o bien, como toberas individuales, separadas en la periferia de
la carcasa.
(C) VÁLVULAS MANUALES
Casi todas las turbinas de una etapa tienen la cámara o caja de vapor
diseñada para permitir el control externo de una o más toberas mediante
válvulas manuales, lo que permite cerrar algunas toberas cuando las turbina
tiene carga parcial o con condiciones alternas de vapor, para tener mejor
rendimiento.
41
(D) ARBOLES Y COJINETES También se encuentran estandarizados por los fabricantes. Sin embargo,
se pueden obtener arboles de sobre medida o especiales cuando se desea
aumentar el caballaje que se puede transmitir a una velocidad dada. Excepto
en las turbinas horizontales muy pequeñas, se utilizan cojinetes de manguito
o chumaceras.
Los cojinetes de bolas (rodamientos) se emplean en algunas turbinas
pequeñas de una etapa o como cojinetes de empuje en algunas, y siempre
se emplean en las turbinas de árbol vertical y una etapa. Las chumaceras
convencionales con lubricación por anillo o por rocío de aceite han resultado
satisfactorias en turbinas de una etapa, excepto a velocidades mayores a
6000 rpm, para las cuales se pueden utilizar cojinetes de asiento esférico o
de cuerpo basculante.
Se utiliza un cojinete de bolas o un collar de empuje, excepto en las
turbinas más grandes de alta velocidad en las que se puede requerir un
cojinete de empuje tipo Kingsbury; si se emplea este cojinete o si la turbina
funciona con inusuales presiones o temperaturas de entrada muy altas, o
acoplada con un reductor o aumentador de velocidad con engranes, es
obligatorio un sistema de lubricación forzada.
42
(E) RUEDAS Y ALABES
Casi siempre son de acero forjado. Las ruedas se montan en el árbol (no
son integrales excepto en diseños especiales de una etapa) y los alabes se
montan en la periferia de la rueda, en ranuras circulares fresadas. La raíz de
los alabes puede ser del tipo en forma de “T” o de rama de abeto. El borde
del alabe suele adaptarse con una banda en secciones en torno a la rueda, y
las paletas o alabes se recalcan en su lugar para servir de soporte. Las
paletas suelen ser de acero al cromo 11-13 o inoxidable.
Para evitar fugas excesivas de vapor en donde el árbol sale de la carcasa,
hay en esta prensaestopas o empaquetaduras. En casi todas las turbinas de
una etapa se utilizan anillos de empaquetadura segmentados, hechos de
carbono. En las turbinas de alta velocidad se emplean sellos de laberinto en
vez de anillos de carbono. Las fugas controladas en cualquiera de los tipos
se obtienen mediante conexiones de casquillo en el prensaestopas para que
el escape de vapor a la atmosfera sea mínimo.
Como la rueda solo está sometida a la presión de escape, pues el vapor
ya se ha expandido en las toberas, el casquillo de la empaquetadura sólo
necesita sellar contra la presión de escape, y esa presión determinara el
número de anillos que se utilicen.
43
(F) CUBIERTA DE LA VÁLVULA DEL REGULADOR
Aloja la válvula de entrada de vapor, llamada a veces válvula del regulador
porque controla el regulador de la turbina. En las turbinas de una etapa se
utiliza una sola válvula para regular el flujo de vapor a la cámara de vapor y a
las toberas. Además, se utiliza una válvula separada de paro por sobre
velocidad en el conducto de entrada de vapor, que se accionara por el brazo
de palanca de árbol, para cerrar el conducto y detener la turbina en caso de
falla de la válvula principal del regulador o de su eslabonamiento.
Los materiales para las piezas de la entrada del vapor, o sean la cubierta
de la válvula del regulador y la cámara de vapor, son de hierro fundido para
presiones hasta de 250 psig y temperaturas de unos 500 °F, o de fundición
de acero al carbono para presiones o temperaturas más altas. La mayor
parte de los diseños estándar de una etapa están limitados para vapor a 600
psig y 750 °F; sin embargo, se cuenta con modificadores especiales para
condiciones más severas en el vapor.
Las carcasas para alta contrapresión son estándar y se utilizan para
presiones de escape superiores a 75 o 100 psig. Se hacen con fundición de
acero al carbono y en su tipo estándar pueden ser adecuadas para presiones
de descarga de 325 psig. Las carcasas normales para baja presión se hacen
de hierro fundido
44
2.3.2. COMPONENTES DE LAS TURBINAS A VAPOR (ETAPAS MÚLTIPLES)
Según Greene, R. (1987, p.195) indica que los “componentes de las
turbinas de etapas múltiples son:”
(A) VÁLVULA DE ENTRADA
La entrada de vapor en las turbinas de válvula sencilla y etapas múltiples
es la misma que en las de una etapa. Puede hallarse en tamaños mas
grandes que en las de una sola etapa, según sean las condiciones del vapor.
En las entradas con válvulas múltiples, la cámara de vapor tiene dos o más
válvulas de entrada con un solo asiento, conectadas con un mecanismo de
palanca o de leva que las abre por orden en respuesta al aumento en la
carga. Este tipo de control, llamado a veces control automático de toberas,
permite máxima economía de vapor con carga reducida y se utiliza en todas
las turbinas grandes, sin que importe su aplicación.
(B) VÁLVULA DE DISPARO Y ESTRANGULACIÓN
Se utiliza una válvula de disparo y estrangulación en las turbinas grandes
de válvula sencilla y válvulas múltiples. Tiene doble finalidad: primera,
permitir la estrangulación manual del vapor para el arranque y aceleración de
45
la turbina hasta su velocidad de régimen y, segunda, actuar como válvula de
cierre rápido cuando se dispara en forma manual o automática mediante
mecanismo de sobre velocidad o de paro de control remoto.
(C) CÁMARA DE VAPOR En las turbinas más pequeñas, de válvulas múltiples, la cámara de vapor
suele estar en la parte superior de la carcasa. En las más grandes, en donde
se necesitan toberas en toda la periferia de la carcasa, habrá conductos de
fundición para dirigir el vapor según se requiera.
Los anillos de la tobera, por lo general, serán del tipo con paletas. Las
ruedas y paletas serán, en teoría, similares a las de las turbinas de una
etapa, pero pueden ser mucho más grandes y de una variedad de tamaños
en la misma turbina, según sean las condiciones del vapor.
Los materiales para la cámara de vapor, las piezas en la entrada, las
piezas intermedias y las carcasas de escape se seleccionan según las
condiciones del vapor. Se puede utilizar hierro fundido para baja presiones y
fundición de acero al carbono para temperaturas de entrada hasta 750 °F;
para temperaturas más altas se emplean ruedas de aceros fundidos de
aleación que contengan elementos como cromo y molibdeno.
En las turbinas más grandes, la carcasa tiene varia secciones para poder
utilizar diferentes materiales, desde los resistentes a altas temperaturas, en
46
el extremo delantero, hasta hierro fundido o acero fabricado, en el extremo
de salida.
(D) ROTOR
Los rotores de la turbina pueden ser del ensamblado o de una sola pieza.
En los rotores ensamblados cada rueda se instala mediante ajuste por
contracción y se fija con cuñas sobre el árbol; este tipo tiene limitaciones de
velocidad de operación. Por lo general, para velocidades mayores de 8000
rpm se necesita rotor de una pieza, en el cual se maquinan las ruedas y el
árbol a partir de una pieza maciza de forja, con lo cual no hay necesidad de
ajuste por contracción y colocación de cuñas.
Los anillos de empaquetadura de carbono, similares a los empleados en
turbinas de una etapa, se pueden utilizar para las velocidades más bajas y
con árboles de tamaño pequeño a mediano; para mayores valores, se
emplean sellos de laberintos. Las ranuras de laberinto estacionario en los
casquillos del prensaestopas y las ranuras giratorias en el árbol, forman un
conducto reducido por el cual debe pasar el vapor antes de escapar a la
atmosfera y reducen la presión según se requiera.
En turbinas sin condensación a veces se utiliza un condensador en el
casquillo para condensar el vapor que escapa de él. En las turbinas con
condensación se utiliza sello de vapor en el lado de escape para impedir la
47
entrada de aire a la turbina y también necesitan condensadores en el
casquillo del prensaestopas para condensar vapor de sello.
(E) COJINETES
Los cojinetes son siempre del tipo de manguito o chumacera y por lo
general con lubricación a presión, excepto en los tamaños muy pequeños. Se
utilizan chumaceras lisas o, para altas velocidades, las de cuerpos
oscilantes. Los cojinetes de empuje suelen ser tipo Kingbury con caras
múltiples que actúan en uno o ambos sentidos.
El sistema de lubricación a presión en las turbinas grandes es similar al
que se necesita en un compresor centrífugo, y suele estar combinado con el
sistema de aceite del compresor. Se debe prestar especial atención a la
posibilidad de fugas de vapor o de agua que por las empaquetaduras hacia
el lubricante. De hecho, para evitar esa posibilidad, algunos usuarios
especifican un sistema de lubricación separado de la turbina.
2.3.3 FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES.
Según Álvarez, J. (2002, p.365) “el funcionamiento de una turbina de
vapor no se puede separar ni concebir sino como un conjunto llamado
instalación motriz de vapor, compuesta por la turbina propiamente dicha, un
condensador, una bomba y una caldera de generación de vapor”. Es decir,
48
que la turbina de vapor es el motor térmico más grande que se fabrica. Es un
motor de combustión externa, y por lo tanto, los gases de combustión no se
mezclan con el fluido de trabajo (generalmente vapor de agua).
El intercambio de energía se suele hacer en una caldera o en otros
dispositivos. La turbina es capaz de convertir la energía térmica del fluido en
energía mecánica en el eje de la máquina, ya que el fluido se somete a un
ciclo termodinámico. El conjunto motor incorpora una unidad generadora del
vapor, que puede ser una caldera done se procede a la combustión de
algunos de los elementos combustibles posibles (carbón, fuel, gas natural,
etc.); para la obtención de energía para calentar el agua y obtener el vapor
se puede aprovechar directamente cualquier otra forma de energía, como la
solar o la geotérmica, sin pasar por alto la energía nuclear.
Aparte de la caldera, el motor está formado por una turbina, donde tiene
lugar la expansión de los gases y, por lo tanto, donde se obtiene la potencia
útil. También se halla un condensador de vapor y una bomba por la que el
fluido (en ese punto condensado) adquirirá la presión de la caldera. Aparte
se encuentran muchos accesorios para el correcto funcionamiento del
conjunto motor.
Según las múltiples clasificaciones comentadas anteriormente, la turbina
es una turbo-máquina térmica (de acción o reacción), usada siempre como
motor y normalmente de geometría axial. Aunque menos, también se usan
las configuraciones radiales para potencias menores.
49
Una de las aplicaciones más importantes de la turbina de vapor es la
generación de energía eléctrica en las plantas termoeléctricas, donde se
transforma la energía calorífica liberada en una combustión en energía
eléctrica. Aproximadamente el 60% de la energía eléctrica generada en el
mundo es a través de la turbina de vapor. La energía hidroeléctrica
representaría un 30%, mientras que el 10% restante corresponde a la
generación mediante a motores diesel, turbinas de gas, y otros dispositivos
orientados al aprovechamiento de energía renovables.
2.3.4. CICLO DE LAS TURBINAS A VAPOR Para Gómez, F. (2006 p.15) El ciclo de las turbinas de vapor “corresponde
al ciclo de Rankine y es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el
caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolución
se produzcan cambios de fase.”
De esta forma simplificada, y para el ciclo básico, la evolución del fluido
sigue las siguientes etapas:
• Una etapa de expansión del fluido en fase vapor, realizada en una
máquina térmica denominada turbina de vapor y lo más isotrópica posible.
• A la salida de la turbina de vapor, una cesión de calor residual del vapor a
presión constante en un dispositivo llamado condensador. En este
50
dispositivo se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase
liquida.
• Una o varias etapas de elevación de la presión del fluido. El proceso se
realiza con el fluido en fase liquida, con bombas y fuera de la zona de
cambio de fase. Esta es una de las principales diferencias con el ciclo de
Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la máxima eficiencia sería
necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad
tecnológica que ello conlleva.
• Una etapa de aportación de calor a presión constante. El fluido realiza una
etapa de calentamiento previo en fase liquida, un proceso de cambio de
fase y una elevación posterior de la temperatura del vapor en lo que se
denomina sobre calentador. Motivada por la necesidad de disminuir la
humedad en el vapor en las últimas etapas de expansión de la turbina.
Esto último constituye la segunda particularidad del ciclo de Rankine y otra
diferencia fundamental con el ciclo de Carnot.
El fluido del motor empleado suele ser agua desmineralizada,
fundamentalmente por su facilidad de manejo, reposición y abundancia,
aunque conceptualmente no es el único y podrían emplearse otros fluidos
tales como mercurio o fluidos orgánicos. La estructura básica de un ciclo
agua-vapor en su versión más sencilla, así como la evolución del fluido en un
diagrama T-S, se esquematiza en la Figura 2.
51
Figura 2. Representación en diagrama T-S del ciclo de las turbinas de vapor y de los equipos principales necesarios para su realización.
Fuente: Gómez, F (2006, p.16) 2.3.5. CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBINAS DE VAPOR
Para Álvarez, J. (2002, p.366) “Algunas propiedades características de la
turbina de vapor son:”
• En una turbina de vapor la potencia unitaria realizable es
prácticamente ilimitada, mientras que en otro tipo de motores la
potencia que se puede obtener esta acotada tecnológicamente, como
en el caso de los motores diesel, con un límite aproximado que ronda
los 50 MW.
52
• La potencia específica (potencia por unidad de peso o volumen) es
unas diez veces superior que en los motores diesel.
• El rendimiento global de las turbinas de vapor esta en torno al 35%.
• La fiabilidad ido en aumento durante todo el tiempo de evolución,
disminuyendo los plazos entre revisiones, al mismo tiempo se han ido
haciendo más compactas y ha aumentado constantemente su
potencia específica.
• El precio por KW instalado (incluyendo construcción, instalación, y
mantenimiento) disminuye en generar al aumentar la potencia de la
unidad, resultando más económica la construcción de una gran turbina
de vapor que la de varias más pequeñas para suministrar una
potencia determinada.
2.3.6. CLASIFICACIÓN DE TURBINAS DE VAPOR
Según Álvarez, J. (2002, p.365) “Existen también muchos criterios de
clasificación dentro de las turbinas de vapor, que básicamente son:”
(A) SEGÚN LA DIRECCIÓN QUE ADOPTA EL FLUJO • Turbinas de Vapor axiales: que son las más generalizadas, y que se
componen de varios pasos o escalonamientos. Dentro de las axiales
53
existen turbinas de impulso o acción y las turbinas de reacción. En las
turbinas de impulso se tiene un primer cuerpo de alta presión, donde
se hallan los escalonamientos de velocidad, y en uno o varios cuerpos
de baja presión se hallan los escalonamientos de presión. En
máquinas de gran potencia también se incluirían escalonamientos de
reacción.
(B) SEGÚN LAS DIFERENTES APLICACIONES DEL VAPOR DE SALIDA
• Turbinas de Vapor de condensación: en la que la presión de salida del
vapor es inferior a la presión atmosférica (del orden de 30 a 60 mbar),
y este se descarga a un condensador. Es la turbina más habitual en
las centrales termoeléctricas convencionales.
• Turbinas de Vapor de escape libre: en que la presión de salida del
vapor es la atmosférica.
• Turbinas de Vapor de contrapresión: con presiones de descarga del
vapor de algunos bars por encima de la presión atmosférica, por tal de
aprovecharlo para otros usos. Muy usadas en cogeneración.
54
(C) SEGÚN LA VELOCIDAD DE GIRO
• Turbinas de Vapor de alta velocidad: utilizadas normalmente para la
impulsión de sistemas mecánicos, como son compresores, bombas.
• Turbinas de Vapor de baja velocidad: generalmente destinadas a
mover alternadores para la generación de energía eléctrica y con
velocidades desde 1800 a las 3000 revoluciones por minuto.
(D) SEGÚN LA PRESIÓN DEL VAPOR A LA ENTRADA DE LA TURBINA
• Turbinas de Vapor de baja presión: con valores hasta los 1MPa.
• Turbinas de Vapor de media presión: con presiones desde los 1 hasta
los 8,8MPa.
• Turbinas de Vapor de alta presión: desde los 8,8 hasta los 22,4MPa.
• Turbinas de Vapor de muy alta presión: para los valores superiores.
(E) SEGÚN LA TEMPERATURA DEL VAPOR
• Turbinas de Vapor de vapor saturado.
• Turbinas de Vapor de temperatura media (hasta los 485°C).
• Turbinas de Vapor de alta temperatura, con valores desde los 485°C
hasta los 565°C.
55
• Turbinas de Vapor de muy alta temperatura: para valores superiores.
2.3.7. TIPOS DE TURBINAS A VAPOR
Para Greene, R. (1987, p.187) señala que “Todas las turbinas
convencionales de vapor para plantas de proceso son de flujo axial, en las
que el vapor se mueve paralelo al árbol y no cambia mucho su sentido
cuando circula dentro de ella”. Estas turbinas son de una etapa o de etapas
múltiples.
Las turbinas de una etapa tienen una sola tobera o un grupo de ellas, con
una sola expansión del vapor. Son adecuadas para las aplicaciones más
pequeñas, y su potencia puede ser desde unos cuantos hasta 2500 hp
aproximadamente en diseño estándar; se pueden lograr mayores potencias
mediante diseño especiales para las condiciones de vapor.
Las turbinas de etapas de múltiples tienen dos o más expansiones por
medio de grupos de toberas y, por lo general, se utilizan cuando se requiere
mayor caballaje o más economía de vapor.
(A) TURBINAS AXIALES DE IMPULSO (ACCIÓN):
Álvarez, J. (2002, p.366) indica que en este tipo de turbina “El rotor de la
turbina está provisto de alabes, a los que precede una serie de toberas de
56
alimentación tipo convergente-divergente, que convierten energía de presión
en energía de velocidad, prácticamente sin perder energía ”. Dicho
accionamiento permite así tener chorros de vapor de alto poder dinámico que
atacan directamente los alabes del rotor y lo hacen girar. En el rotor la
presión se mantiene constante y disminuye la velocidad del vapor.
Es muy difícil aprovechar toda la energía cinética de los gases en un solo
escalonamiento en la turbina, debido a las altas velocidades de salida en la
tobera, que obligarían al rotor a girar a mas de 20.000 revoluciones por
minuto, y en consecuencia, dado el diámetro de la máquina, se producirán
zonas donde la velocidad periférica seria supersónica, condición que debe
evitarse.
En caso de producirse se tendrían discontinuidades en la presión, la
densidad y la temperatura del fluido (onda de choque). Con el
escalonamiento se lograran velocidades de giro mucho más bajas y, por lo
tanto, se reducirán los problemas ocasionados por las vibraciones.
(B) TURBINAS AXIALES DE REACCIÓN:
En este tipo de Turbinas de Vapor Álvarez, J. (2002, p.367) señala que
“En los estatores del fluido de trabajo se acelera, ganando velocidad a
expensas de la presión. En los rotores, los gases ceden energía de velocidad
57
y también de presión. Las velocidades de incidencia del fluido en los alabes
son menores que en las turbinas de impulso”.
Cuando en un mismo eje hallamos turbinas de impulso y de reacción a la
vez, el diámetro de los rotores ha de ser mayor en estas últimas, para
mantener la misma velocidad angular. Debido a la progresiva caída de
presión, los alabes deben irse haciendo más grandes para lograr acciones
equivalentes en los distintos escalonamientos, puesto que los rotores van
montados todos sobre el mismo eje.
2.3.8. REGULADORES DE VELOCIDAD PARA TURBINAS DE VAPOR Según Greene, R. (1987, p.193) refiere lo siguiente “como motores
primarios, todas las turbinas de vapor deben de tener algún sistema para
regular su funcionamiento en respuesta a la carga aplicada, los cuales se
dividen en:”
(A) REGULADOR MECÁNICO El autor anteriormente nombrado, resalta que “El regulador de velocidad
más sencillo se llama regulador mecánico. Funciona con el principio
fundamental de un resorte con contrapesos que se mueven hacia dentro o
hacia afuera conforme aumenta o se reduce la velocidad”. Esto hace que
mueva un vástago que, a su vez, está conectado por un eslabonamiento con
58
la válvula del regulador (válvula de entrada del vapor) y hacen que se abra o
se cierre.
Este regulador tiene la ventaja de la sencillez, pero es relativamente poco
preciso y solo se ha utilizado en turbinas de bajo caballaje, de baja y
mediana velocidad, con vapor a presiones baja y mediana.
(B) REGULADORES DE ACCIÓN DIRECTA CON BOMBA DE ACEITE Greene, R. (1998, p.193) indica que “…en los que se utiliza presión de
aceite suministrada por una bomba impulsada por el árbol, para abrir y cerrar
la válvula del regulador a través de un eslabonamiento adecuado”.
Este tipo de regulador no se utiliza mucho en la actualidad por su falta de
exactitud provocado por cambios en la temperatura y viscosidad del aceite, y
porque la regulación de velocidad no es mejor que la de los de tipo mecánico
o sencillo de relevador de aceite.
(C) REGULADORES CON RELEVADOR DE ACEITE Para Greene, R. (1987, p.193) “… se están convirtiendo con rapidez en el
único tipo que debe usarse, porque son muy exactos”. Las desventajas del
tipo de bomba de aceite de acción directa se eliminan con un sistema más
compacto, en el cual los cambios en la temperatura del aceite son mínimos y
los flujos del mismo son muy pequeños.”
59
Al principio, el tipo con relevador de aceite solo se utilizaba en las turbinas
más grandes, con un alto costo adicional, cuando las cargas elevadas o las
altas velocidades o las condiciones más severas en el vapor inician
obligatorio su empleo. En la actualidad una versión más sencilla de este
regulador combina muchas de las ventajas, pero sin el alto costo que tenía
en un principio y se puede utilizar incluso en las turbinas más pequeñas.
2.3.9. SISTEMAS DE CONTROL PARA TURBINAS DE VAPOR Según Rosaler. R (1992, p.118) “Las funciones principales de un sistema
de control moderno para una turbina de vapor son:”
• Control de velocidad y aceleración durante el arranque.
• Inicialización de la excitación del generador.
• Sincronización y aplicación de la carga en respuesta a las
necesidades de generación locales o de la zona.
• Control de presión de varias formas: admisión, extracción,
contrapresión, entre otros.
• Descarga y aseguramiento de la turbina.
• Ordenar en secuencia las funciones anteriores con la restricción
impuesta por el esfuerzo térmico.
• Protección contra sobre velocidad durante el rechazo de carga y las
emergencias.
60
• Protección contra riesgo serios, p. ej., perdida de la presion del aceite
de lubricación, alta temperatura de escape, mucha vibración en los
cojinetes.
• Prueba de las válvulas de vapor y otras funciones de protección
importantes.
También se necesitan funciones adicionales de control y monitoreo en la
mayoría de las aplicaciones, tales como:
• Monitoreo y supervisión de un gran número de presiones,
temperaturas, etc., que sirvan de guía y alerta para los operadores.
• Arranque y monitoreo de los equipos auxiliares del turbogenerador,
como los sistemas de aceite de lubricación, hidráulicos y de sellos de
vapor.
• Despliegue de, alarma y registro de las funciones y datos anteriores.
• Verificación y diagnostico de las condiciones del sistema electrónico
mismo.
El primer grupo de funciones debe realizarse con una amplitud de banda
de control elevada o de muy alta confiabilidad, o ambos, con el fin de
asegurar que la operación y el servicio de la turbina sean confiables a largo
plazo. Por estas razones los controles y protección de la turbina están
estrechamente aparejados con el diseño detallado de la misma. El primer
grupo de funciones, junto con los dispositivos de entradas y salida (I/O, input-
61
output) necesarios, se incluyen en el sistema de control de la unidad de la
máquina ya que son una parte integral del equipo de la turbina.
Los sistemas de control de una unidad de turbina de vapor tienen muchas
formas para controlar la presión de vapor. La característica más común es el
control de la presión del vapor en las unidades sin condensación directa o en
las de extracción automática sin condensación. El generador sincronizado
se “encierra” en la frecuencia de la rejilla y las válvulas de control de
admisión y de extracción de la turbina mantienen el flujo a través de las
sección de las turbina en respuesta a las señales de la presión del vapor de
la extracción y de escape.
Cuando las turbinas de vapor de extracción automática tienen un escape
con condensación, el sistema de control puede regular la presión así como la
generación de energía al variar el flujo hacia el condensador. La cantidad de
energía solicitada por el sistema de control de la turbina de vapor puede
modularse continuamente con el sistema de control de la planta.
Otra forma de control es el control de la presión inicial. Cuando una turbina
de vapor es abastecida por una caldera de recuperación de calor o por una
caldera de combustible subproducto, la cantidad de vapor que genere puede
variar de manera independiente. El control de presión inicial permite a la
turbina de vapor absorber todo el vapor disponible en el cabezal al mismo
tiempo que mantiene una presión constante.
62
Una característica del sistema de la unidad de control es que incluye todas
las funciones esenciales de control y protección de la turbina para permitir
que la unidad opere de manera segura aun si los otros sistemas de apoyo
fallan. Otra característica es que la interface del punto de control (esto es, la
interface entre la turbina y el sistema de control) permanece dentro del radio
de acción del alimentador de la turbina en tanto que la interface con los
controles de la planta puede hacerse al nivel del punto de los datos, el cual
no incluye ordenes de variación rápida, critica y señales de retroalimentación,
por lo tanto, es un punto más adecuado para la interface con los controles de
la planta.
Una característica más de la funciones de la unidad de control es que
deben realizarse continuamente o con mucha frecuencia para que el control
sea satisfactorio. El segundo grupo de funciones puede realizarse con menos
frecuencia (esto es, cada algunos segundos o más) y, en la mayoría de los
casos, la operación de la turbina puede continuar durante interrupciones de
corta duración en las funciones de monitoreo, en tanto el control de la unidad
funciones correctamente.
El segundo grupo de funciones se conoce como TGM, que significa
monitoreo del turbogenerador (Turbine Generator Monitoring). Las funciones
del TGM pueden incluirse en el sistema de control de la unidad o en el
sistema de control de la planta.
63
2.4. SERVOMOTORES Según Velasco, E. (2007, p.291) “los servomotores se utilizan para
retroalimentar los dispositivos y controlar sus movimientos”. Un servomotor
incluye un tren de engranaje y es capaz de desplegar un gran esfuerzo de
torsión o rotación. Su posición angular de rotación es controlada
electrónicamente y es diferente a los motores de corriente directa o de paso
a paso.
Continuando con el mismo autor, los servomotores requieren para su
funcionamiento de un pequeño motor de corriente directa, un mecanismo de
engranaje para reducción de velocidad e incremento del esfuerzo de torsión
o rotación y un dispositivo electrónico para evaluar la posición y controlar el
circuito. El servomotor no gira libremente, es necesario comandar para que
realice su movimiento de acuerdo con una posición angular.
Para Sánchez, J. (2003, p.91) señala “un servomotor es la parte de la
válvula automática que, respondiendo a la señal de control aplicada,
ocasiona el movimiento que repercute en la modificación del flujo de un
fluido”.
Un servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a un
motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier
64
posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha
posición.
Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser
controlado, tanto en velocidad como en posición. Está conformado por un
motor, una caja reductora y un circuito de control. También potencia
proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, tiene un
consumo de energía reducido.
La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el
fabricante indica cual es la corriente que consume. La corriente depende
principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está
enclavado, pero no es muy alto si el servo está libre moviéndose todo el
tiempo. Esto quiere decir que para trabajar con elementos que requieran
muchos torque o par, estos deben ser enclavados para lograr aumentar la
corriente de funcionamiento.
2.4.1. TIPOS DE SEVOMOTOR Los diferentes tipos de servomotores se pueden tipificar dependiendo de
la naturaleza de alimentación con que funcionan a la hora de ser accionados,
estos se dividen de la siguiente manera:
65
A) SERVOMOTORES DC (DE CORRIENTE DIRECTA) Según Balcells, J. (1997, p.136) “los servomotores de CC son pequeñas
máquinas especialmente diseñadas para control de posicionamiento”.
Aunque el principio de funcionamiento es el de una maquina de continua
convencional con excitación independiente, su forma constructiva está
adaptada a obtener un comportamiento dinámico rápido y estable.
Continuando con el autor anterior, los parámetros esenciales de un
servomotor de CC y las unidades de medidas habituales son las siguientes:
n, velocidad (r.p.m)
Ei, fuerza electromotriz del inducido (voltios)
Ui, tensión de inducido (voltios)
Ii, corriente de inducido (amperios)
Øt, flujo inducido
Te, constante de tiempo eléctrica
Cm, par motor (newton. Metro)
Ke, Constante eléctrica (r.p.m / voltios)
Siguiendo con el autor anterior, a partir de estas relaciones se deduce que
el control de velocidad del motor puede hacerse regulando la tensión de
66
inducido y compensando la caída de tensión Ri.Ii y el control de par requiere
regular la corriente de inducido.
Según Kosow, I. (1993, p.414) “…los servomotores de DC son motores
impulsados que procede de amplificadores electrónicos de DC o de CA con
demuladores internos o externos, reactores saturables entre otros”. Las
características fundamentales que se deben buscar en cualquier servomotor
de DC o de CA son:
1. Que el par de salida del motor sea aproximadamente proporcional a
su voltaje de control aplicado.
2. Que la dirección del par este determinada por la polarización
instantánea del voltaje de control.
Los servomotores de corriente continua o DC son motores de alto
rendimiento que por lo general se utilizan como motores primarios en
computadoras, maquinaria controlada numéricamente u otras aplicaciones
en donde el arranque y la detención se deben hacer con rapidez y exactitud.
Los servomotores son de peso ligero, y tienen armaduras de baja inercia que
responden con rapidez a los cambios en el voltaje de excitación. Cabe
destacar, que casi siempre los servomotores poseen un torque generalmente
muy bajo a comparación de los servomotores de corriente alterna que
poseen un alto torque la mayoría de las veces.
67
B) SERVOMOTORES AC (DE CORRIENTE ALTERNA) Según Balcells, J. (1997, p.137) “…para accionamiento de cierta potencia,
el motor de alterna presenta diversas ventajas frente al de continua, la
principal de ellas es la ausencia de colector en las escobillas.”
Para Maloney, T. (2006, p.496) “…estos motores no sólo manejan el
posicionamiento de válvulas si no también hacen muchas tareas de
posicionamiento en servosistemas“. Muchos servosistemas tienen lo que se
llama un servomotor de CA y es en forma básica un servomotor de fase
dividida con algunas diferencias en su construcción.
C) SERVOMOTORES HIDRÁULICOS Para Creus, A. (2006, p.411) “…el servomotor hidráulico consiste en una
bomba de accionamiento hidráulico eléctrico que suministra fluido hidráulico
a una servo válvula”. La señal del instrumento de control actúa sobre la
servo válvula que dirige el fluido hidráulico a los dos lados de un pistón
actuador hasta conseguir, mediante una retroalimentación, la posición exacta
de la válvula.
Los servomotores hidráulicos se caracterizan por ser extramadamente
rapidos potentes y suaves, si bien su coste es muy elevado, por lo que solo
se emplean cuando los servomotores neumáticos no pueden cumplir con las
especificaciones de servicio.
68
D) SERVOMOTORES DIGITALES
De acuerdo con Creus, A. (2006, p.412) “…son controladores digitales
que disponen de compuertas neumáticas accionadas por electroválvulas
que, a su vez, son excitadas por la señal de salida binaria de un
microprocesador”. Su respuesta es muy rápida (una compuerta 500 ms), y el
grado de apertura depende de la combinación de las (8 compuertas darán
1, 2, 4, etc., 128 relaciones de capacidad).
E) SERVOMOTOR NEUMÁTICO Según Creus, A. (2006, p.412) señala que “…el servomotor neumático
consiste en un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 15 psi, es decir,
que las posiciones extremas de la válvula corresponden a 3 y 15 psi”. Al
aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal
modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que
se llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el
diafragma y la fuerza ejercida por el resorte.
Siguiendo con el mismo autor, idealmente, con una señal de 3 psi la
válvula debe estar en la posición 0 de su carrera y para una señal de 15 psi
en la posición 100. Entre la válvula existe un equilibrio entre estas diversas
fuerzas que viene dado por la siguiente fórmula:
69
Fa
Donde:
Fa= fuerza resultante obtenida por el servomotor
Fr= fuerza de rozamiento, en Kg
Fs= fuerza de asentamiento, Kg
Fw= peso del obturador, Kg
Fb1= fuerza elástica del fuelle de estanqueidad, Kg
Fb1= fuerza de desequilibrio del fuelle de estanqueidad, Kg
Fb= fuerza estática y dinámica sobre el obturador, Kg
Según Sánchez, J. (2003, p.579) “…..el servomotor neumático en este
caso de resorte- membrana está basado en el movimiento de una membrana
que se deforma bajo la acción de la señal de aire modulado procedente del
controlador o convertidor electro-neumático“. La membrana empuja el
vástago hasta abajo si se trata de acción directa, o la empuja hacia arriba si
es de acción inversa. El movimiento del vástago se contrarresta con la acción
del resorte.
De lo anteriormente definido se puede decir que el servomotor neumático
consiste en un diafragma o pistón que trabaja con presiones de
instrumentación de 3 a 15 PSI.
70
F) SERVOMOTOR ELÉCTRICO
Para Creus, A. (2006, p.413) “…el servomotor eléctrico es un motor
eléctrico acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranaje”.
El motor se caracteriza fundamentalmente por su par y por su tiempo
requerido (usualmente 1 minuto) para hacer pasar la válvula de la posición
abierta a la cerrada o viceversa.
2.4.2 PARTES DE UN SERVOMOTOR Las diferentes partes de un servomotor se dividen de la siguiente manera:
A) MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA Según Navarro, R. (2007, p.96) los motores de corriente continua son
“motores que transforman la energía eléctrica en energía mecánica”.
Impulsan dispositivos tales como malacates, ventiladores, bombas
calandrias, prensas punzonadoras y carros.
Continuando con el mismo autor, los motores de corriente directa rara vez
se utilizan en aplicaciones industriales ordinarias ya que todos los sistemas
eléctricos suministran corriente alterna. Sin embargo, en aplicaciones
especiales, como fábricas de acero, minas y trenes eléctricos, en ocasiones
71
es conveniente transformar la corriente alterna en directa para utilizar
motores de DC. La razón es que la característica de par o momento de
torsión-velocidad de los motores de DC pueden ser variadas dentro de un
amplio intervalo sin perder su alta eficiencia.
B) CIRCUITO DE CONTROL Para Tomasi, W. (2003, p.668) indica que un sistema de modulación por
anchura de pulsos “el ancho de pulso (la parte activa de trabajo) es
proporcional es proporcional a la amplitud de la señal analógica”.
Según Pérez, C. (2007, p.242) “la modulación por anchura de pulso, en
este caso muestra de la señal se emplean para variar la anchura o duración
de los pulsos”. Aunque no es muy utilizado en la actualidad se usa en
transmisores modulados en amplitud”.
Este circuito es el encargado del control de la posición del motor. Recibe
los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de
los pulsos recibidos. Tiene además de los circuitos de control un
potenciómetro conectado al eje central del motor. Este potenciómetro permite
a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el
eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito
chequea que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección
correcta, hasta llegar al ángulo que es correcto.
72
El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados.
Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el
fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de
entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de
retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las
especificaciones del fabricante.los servomotores tienen tres terminales:
• Terminal positivo: Recibe la alimentación del motor (4 a 8 voltios)
• Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios)
• Entrada de señal: Recibe la señal de control del motor
Un sistema muy empelado para el control de servomotores es la
modulación por anchura de pulsos. La modulación por anchura de pulso,
PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas más empleados para
el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en
la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo
período (normalmente), con el objetivo de modificar la posición del servo
según se desee.
Para la generación de una onda PWM en un microcontrolador, lo más
habitual es usar un timer y un comparador (interrupciones asociadas), de
modo que el microcontrolador quede libre para realizar otras tareas, y la
generación de la señal sea automática y más efectiva. El mecanismo
consiste en programar el timer con el ancho del pulso (el período de la señal)
73
y al comparador con el valor de duración del pulso a nivel alto. Cuando se
produce una interrupción de overflow del timer, la subrutina de interrupción
debe poner la señal PWM a nivel alto y cuando se produzca la interrupción
del comparador, ésta debe poner la señal PWM a nivel bajo.
En la actualidad, muchos microcontroladores, como el 68HC08, disponen
de hardware específico para realizar esta tarea, eso sí, consumiendo los
recursos antes mencionados (timer y comparador).
C) ENGRANAJES Según Cardona, S. (2001, p.24) “…un engranaje es un conjunto de dos
ruedas dentadas que engranan entre ellas a fin de transmitir un movimiento
de rotación entre sus ejes”. En el engranaje, una rueda transmite el
movimiento de la otra por el hecho de haber contacto entre un diente de cada
rueda como mínimo.
El mismo autor señala que, los dos ejes de un engranaje pueden ser
paralelos, cortarse o cruzarse. En el primer caso, se utilizan engranajes
rectos o helicoidales, y cuando los ejes no son paralelos, se utilizan
engranajes que, en general, son helicoidales cruzados, de tornillos sin fin,
cónicos o hipoidales.
74
2.4.3 FUNCIONAMIENTO DEL SERVOMOTOR Según Velasco, E. (2007, p.291) “los servomotores necesitan para su
funcionamiento de un pequeño motor de corriente directa, un mecanismo de
engranajes para la reducción de velocidad e incremento del esfuerzo de
torsión o rotación y un dispositivo electrónico para evaluar la posición y
controlar el circuito”.
El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro
(una resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor.
Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo
actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor
está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor
girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del
servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en
algunos llega a los 210 grados. Un servo normal se usa para controlar un
movimiento angular de entre 0 y 180.
2.4.4 APLICACIONES DEL SERVOMOTOR Para Mott, R. (2006, p.824) indica que “se consiguen servomotores de CD
o Capara obtener el control automático de la posición o velocidad de un
mecanismo como respuesta a una señal de control”. Estos motores se usan
en actuadores de aviones, instrumentos impresoras de cómputo y maquinas
75
herramienta. La mayor parte de ellos tiene características de respuesta
rápida, debido a la baja inercia en las partes giratorias, y el par torsión
extremadamente grande que ejerce el motor.
Los Servos son sumamente útiles en robótica. En la práctica, se usan
servos para posicionar superficies de control como el movimiento de
palancas, pequeños ascensores y timones. Estos también se usan en radio
control, títeres, y por supuesto, en robot.
2.5 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRADOR DERIVATIVO (PID) Un control proporcional integrador derivativo está formado por los
siguientes elementos:
2.5.1 CONTROL PROPORCIONAL Según Creus, A. (2005, p.494) explica. “En el sistema de posición
proporcional, existe una relación lineal continua entre el valor de la variable
controlada y la posición del elemento final de control (dentro de la banda
proporcional)”. Es decir; la válvula se mueve el mismo valor por cada unidad
de desviación.
Continuando con el autor anterior el grado de ajuste del control
proporcional viene definido por: Ganancia, que es la relación entre la
variación de la señal de salida del controlador a la válvula de control y la
76
variación de la señal de entrada procedente del elemento primario o del
transmisor.
Para Timothy, M (2006, p.361) indica. “…en el modo control proporcional,
no se obliga al dispositivo de corrección final a tomar una posición de todo o
nada . En lugar de ello, tiene un rango continuo de posiciones posibles”. La
posición que toma es proporcional a la señal de error. En otras palabras, la
salida del bloque del controlador es proporcional a su entrada.
Según Ogata, K. (2003, p.65) indica que “…para un controlador con
acción proporcional, la relación entre la salida del controlador u(t) y la señal
de error e(t) es: (t)+Kp.e(t)”.donde Kp se considera la ganancia
proporcional.
La parte proporcional consiste en el producto entre la señal de error y la
constante proporcional como para que hagan que el error en estado
estacionario sea casi nulo, pero en la mayoría de los casos, estos valores
solo serán óptimos en una determinada porción del rango total de control,
siendo distintos los valores óptimos para cada porción del rango. Sin
embargo, existe también un valor límite en la constante proporcional a partir
del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los
deseados.
77
2.5.2 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRADOR Según Creus, A. (2006, p.497) establece que “…el control integral actúa
cuando existe una desviación entre la variable y el punto de consigna,
integrando dicha desviación en el tiempo y sumándola a la acción de la
proporcional”
Continuando con el mismo autor, el control proporcional integrador se
caracteriza por el llamado de tiempo de acción integral en minutos por
repetición (o su inversa: repetición por minuto) que es el tiempo en que, ente
una señal en escalón, la válvula repite el mismo movimiento correspondiente
a la acción proporcional.
Para Antoni, M (2001, p.219) el control proporcional integrador “genera
una señal resultante de control proporcional a la integral de la señal de error”.
La característica mas importante de este tipo de control es que la acción
correctora se efectúa mediante la integral del error, eso permite decir que el
control integral proporciona una señal de control en función de la propia
“historia de la señal de error, y permite tener una señal de control diferente
de cero aunque la señal de erro sea cero.
Para Kuo, B (1996, p.691) indica que “la parte integral de un controlador
produce una señal que es proporcional a la integral con respecto al tiempo
de entrada del controlador”. Kuo. La función de transferencia para un
controlador PI es:
78
Gc(s)=Kp+
Figura 3. Muestra de un controlador PI.
Fuente: Kuo (1996, p.691) Según Ogata, K. (2003, p.65) establece “en un sistema de control con
acción integral, el valor de la salida del controlador u(t) se cambia a una
razón proporcional a la señal de error e(t)”. Es decir: = Ki.e(t). Donde Ki
es una variable ajustable.
Continuando con Ogata. La acción de un controlador posicionado integral
(PI) se define mediante:
µ(t) = Kp.e(t)+ .
Donde Ti se denomina tiempo integral.
79
El modo de control Integral tiene como propósito disminuir y eliminar el
error en estado estacionario, provocado por el modo proporcional. El control
integral actúa cuando hay una desviación entre la variable y el punto de
consigna, integrando esta desviación en el tiempo y sumándola a la acción
proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la función de promediarlo o
sumarlo por un período determinado; Luego es multiplicado por una
constante I. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo
Proporcional para formar el control P + I con el propósito de obtener una
respuesta estable del sistema sin error estacionario.
2.6 INFORMACIÓN GENERAL DE LA TURBINA A VAPOR A AUTOMATIZAR Según el Manual del Operador. Turbina y Generador (1971, p.5) “La turbina
a vapor fue fabricada por la General Electric, División de turbinas medianas a
vapor, en Lynn, Massachusetts. Es una carcaza de una sola pieza; una
unidad sin recalentamiento con un diseño de entrada a vapor de 1250 psig a
950oF, con contrapresión de 3.0” Hg absoluto, y esta acoplada directamente
a un generador con un rendimiento garantizado de 87.000 KW a las
condiciones de diseño”. El flujo de vapor a carga completa es de 758.937
lb/hr y el régimen de calor garantizado es de 9020 BTU/kWh. La turbina es
una maquina impulsadora de 18 etapas y opera a una velocidad de 3600
rpm.
80
Los controles de la turbina son mecano-hidráulicos. Hay una válvula
principal de parada con una válvula integral de desvió, una caja distribuidora
con siete válvulas reguladoras, 4 en la mitad superior y 3 en la mitad inferior
y con controles remoto y local para su operación. La turbina tiene 5
conexiones para la extracción de vapor no controladas, que son utilizadas
para el calentamiento del agua de la alimentación.
El aceite, de lubricación, de sello de hidrogeno, de control de velocidad, y
de disparo de protección, es suministrado por la bomba principal (conectada
al eje de la turbina) cuando la turbina está funcionando a velocidad normal, o
por una bomba auxiliar (con motor A.C) la cual suministrara el aceite en el
arranque de la turbina.
El equipo supervisorio de la turbina, producido por la Bentley-Nevada,
vigila, la expansión en el casco de la turbina, la vibración y excentricidad de
los cojinetes, la velocidad de la turbina, y la posición de las válvulas
reguladoras.
Fuente:. Manual del Operador. Turbina y Generador. General Electric.
2.7 PRINCIPIO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA PLANTA RAMÓN LAGUNA En general, la generación de energía eléctrica consiste en transformar
alguna clase de energía química, mecánica, térmica o luminosa, entre otras,
en energía eléctrica. Para la generación industrial se recurre a instalaciones
81
denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las
transformaciones citadas.
Por su parte, CORPOELEC C.A, exactamente en la planta termoeléctrica
“Ramón Laguna”, se buscara diseñar dicho sistema de control de velocidad,
específicamente en las unidades 13 y 14. La central termoeléctrica, tiene
como principio de funcionamiento la generación de energía eléctrica a partir
de la energía liberada en forma de calor o energía térmica.
La planta termoeléctrica “Ramón Laguna” consta de cinco unidades
turbogeneradoras, las cuales producen en total unos 650MW (megavatios)
los cuales son incluidos al sistema eléctrico nacional (SEN), que junto a las
centrales “Rafael Urdaneta” (Termo-Zulia I y II) y “Concepción” abarcan todo
el Sistema Costa Occidental.
El proceso de generación de energía en la central termoeléctrica, inicia
con el calentamiento del agua proveniente de la red de suministro de agua
potable del Municipio Maracaibo. Para calentar el agua, se circula por una
caldera compuesta por una extensa red formada por miles de tubos que
tapizan las paredes de la misma para producir el vapor de agua a una
determinada presión y temperatura.
Este vapor entra a gran presión en la turbina de la central, la cual consta
de tres cuerpos de alta, media y baja presión, respectivamente unidos por un
mismo eje. En el primer cuerpo (alta presión) hay centenares de álabes o
paletas de pequeño tamaño. El cuerpo a media presión posee asimismo
centenares de álabes pero de mayor tamaño que los anteriores. El de baja
82
presión, por último, tiene álabes aún más grandes que los precedentes. El
objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del
vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente, por lo cual los
álabes de la turbina se hacen de mayor tamaño cuando se pasa de un
cuerpo a otro de la misma.
Por otro lado, cabe destacar, que este vapor antes de entrar en la turbina
de presión media, ha de ser cuidadosamente deshumidificado, para ello
luego de salir por el cuerpo de alta presión, esté vapor es nuevamente
introducido en la caldera. En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua
en suspensión que transportaría serían lanzadas a gran velocidad contra los
álabes, actuando como si fueran proyectiles y erosionando las paletas hasta
dejarlas inservibles.
Finalmente, luego de circular por los tres cuerpos de la turbina el vapor,
este vapor resultante proveniente de la turbina de baja presión, hace mover
el rotor de un generador que produce energía eléctrica, la cual es
conectada mediante líneas a alta tensión al sistema eléctrico nacional.
2.8 SISTEMA DE CONTROL ACTUAL DE LAS TURBINA A VAPOR RL13 Y RL14 DE LA PLANTA RAMÓN LAGUNA
A través del Manual del Operador. Turbina y Generador. General Electric
(1971, p.16-29). Se describirá el sistema de control actual en funcionamiento
en la planta Ramón Laguna en las unidades RL13 y RL14.
83
2.8.1 SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA El aceite hidráulico a una presión de 200 psi es suministrado por la
bomba principal de aceite ó por la bomba auxiliar, a los siguientes sistemas:
- Sistema gobernador de carga/velocidad de la turbina.
- Sistema de aceite de operación de la turbina.
- Sistema de aceite de disparo de la turbina.
2.8.2 SISTEMA GOBERNADOR DE CARGA/VELOCIDAD DE LA TURBINA El aceite procedente del cabezal de 200 psi, es suministrado al
gobernador de velocidad a través de la válvula piloto del limitador de carga.
Este gobernador de velocidad a su vez permite suficiente presión de aceite
al cilindro de la válvula relaí del gobernador para posicionar el mecanismo
de las válvulas reguladoras, dándoles así la apertura necesaria para
mantener la velocidad de la turbina en 3600 rpm. Si más velocidad (o carga)
es requerido en la turbina, el dispositivo de sincronización es operado para
admitir más presión de aceite al cilindro de la válvula relaí del gobernador,
dando como resultado que las válvulas reguladoras se abran más (6 vice-
versa).
El piloto del limitador de carga está ubicado en la línea de aceite hacia el
gobernador de velocidad y limita la presión de aceite hidráulico disponible al
84
gobernador. El piloto del limitador de carga puede ser operado ya sea por
medio del acoplamiento mecánico del limitador de carga o por el limitador de
carga de presión inicial.
2.8.3 SISTEMA DE ACEITE DE OPERACIÓN
El sistema de aceite de operación es suplido directamente desde el
cabezal de suministro de 200 psi y es utilizado para operar el limitador de
presión inicial, el regulador de vapor de sello, la válvula principal de parada, y
las válvulas reguladoras.
El limitador de presión inicial es usado para limitar la pérdida de presión
en la línea principal de suministro. Consiste de un sistema mecánico de
palancas y un suiche eléctrico de descarga (IPS) que a su vez está
conectado a un interruptor en el cuarto de control y que posee dos
posiciones de operaci6n, "en servicio" y "fuera de servicio". El sistema
mecánico del limitador puede ser puesto en servicio en cualquier momento
que la presión de vapor esté sobre los 1125 psi independientemente de la
posición del interruptor selector de la sala de control.
Si el mecanismo ha sido puesto en servicio y la presión de vapor de la
línea principal baja a 1125 psi, el sistema mecánico del limitador de presión
inicial empezará a cerrar la válvula piloto del" limitador de carga restringiendo
presión de aceite al gobernador. Si la turbina está operando a carga parcial
las válvulas reguladoras (conectadas al gobernador) no empezarán a
85
cerrarse inmediatamente, sino, lo harán, cuando la válvula piloto del limitador
de carga haya reducido la presión de aceite al gobernador por debajo de la
presión de aceite que el gobernador necesita para mantener la carga parcial
arriba mencionada. Las válvulas reguladoras llegarán a la posición de "no-
carga" (casi cerradas) cuando la presión le vapor en la línea principal haya
bajado a 1900 psig.
Si se recupera la presión de vapor en la línea principal el sistema
mecánico se moverá para abrir las válvulas nuevamente. Cuando el
interruptor selector es seleccionado en la posición de "en servicio", en la sala
de control, el limitador de presión inicial ha sido puesto en servicio
eléctricamente a través del suiche eléctrico de descarga (IPS). Este suiche
causara los mismos efectos arriba mencionados, excepto, que lo hará
cerrando el limitador de carga por medio de su motor eléctrico; sí se recupera
la presión de vapor en la línea principal, el limitador de carga no permitirá
que se recupere la carga en la turbina automáticamente, ya que este
permanece en su posición de casi cerrada.
La puesta en carga de la turbina queda en manos del operador. Una
alarma es provista para mostrar que el limitador de presión inicial está en la
posición "fuera de servicio", y otra, cuando se inicia el proceso de descarga.
El regulador de vapor de sello, usa aceite de operación para posicionar su
mecanismo de modo que la presión de vapor de sello sea mantenida entre
de 0.5 a 2.0 psig. A bajas cargas, el vapor de sello es suministrado de la
línea principal de vapor. A cargas más altas, la fuga de vapor a través de los
86
sellos de alta presión es suficiente para· mantener la presión de vapor de
sello en el sistema, de modo que el regulador cerrará el pase de vapor de la
línea principal, y abrirá su válvula de descarga al condensador lo suficiente
como para mantener la presión de vapor de sello requerido en los sellos de
baja presión de la turbina.
La abertura de la válvula principal de parada es controlada por la presión
de aceite de operación. Bajo condiciones normales (la turbina y el
mecanismo de la válvula de parada en su posición de reposición), la válvula
de parada se desplaza hacia arriba ó hacia abajo, según lo determine la
presión del aceite de operación bajo el pistón de potencia. Está presión de
aceite, a su vez, es controlada por el mecanismo de control de la válvula de
parada e través de una válvula piloto. Las válvulas reguladoras, también
abren y cierran por la presión del aceite de operación. El aceite de operación
hacia el pistón de potencia, para abrir las válvulas reguladoras, es
suministrado por vía de una válvula piloto, la cual a su vez es controlada a
través del mecanismo conectado al cilindro de la válvula relaí del gobernador
(sistema de aceite del gobernador).
2.8.4 SISTEMA DE ACEITE DE DISPARO El aceite de disparo, el cual permite que la válvula principal de parada se
abra o se dispare, según como sea requerido; es tomado del cabezal de
aceite hidráulico de 200 psi a través del gobernador de disparo por sobre-
87
velocidad. Cuando el gobernador de disparo por sobre-velocidad es
reposicionado, se recupera la presión de aceite de disparo, cerrando así el
drenaje del pistón de potencia de la válvula de parada para permitir que la
válvula de parada sea re enganchada quedando lista para su operación.
Cuando la presión de aceite de disparo es perdida ya sea a causa de un
dispara del gobernador de sobre-velocidad, ó cuando el ETD (dispositivo de
disparo eléctrico) es operado, el pistón de drenaje de la válvula de parada se
desplazará lateralmente, drenando así la presión de aceite por debajo del
cilindro de potencia, consecuentemente, la válvula de parada se cerrará por
acci6n de su resorte interno. El aceite de operación al pist6n de potencia
será cortado vía cierre de la válvula piloto y éste a su vez actuado por el
desenganche del mecanismo de la válvula de parada.
Un ejercitador para el gobernador de sobrevelocidad está provisto para
que éste pueda ser probado mientras el turbogenerador permanece en
servicio. Los controles son locales, por medio de una palanca local de
bloqueo de disparo por sobrevelocidad. Se ha provisto de una alarma,
"prueba del gobernador de sobrevelocidad" ("test overspeed device") cuando
la palanca es operada.
El aceite de disparo también opera el relaí de disparo de las válvulas
cheque (no-retorno) de las extracciones de la turbina. Cuando se pierde la
presión del aceite de disparo (disparo de la turbina), causará que el relaí de
disparo de las válvulas cheque cierre el pase de aire de instrumentaci6n
hacia las válvulas antes mencionadas, ocasionando así, el cierre total de las
88
mismas. (Para información más detallada ver el "manual para la turbina GE,
GEK-43984).
2.8.5 CONTROLES La turbina puede ser reposicionada ya sea localmente usando la palanca
de reposici6n, y remotamente desde el cuarto de control. Las válvulas
reguladoras del gobernador de la turbina son controladas por manivelas
localizadas en la sala de control, estas actúan sobre los motores eléctricos
del sincronizador y del limitador de carga. El motor del limitador de carga
también recibe señales del suiche eléctrico de descarga del 1imitador de
presión inicial (IPS), del suic1e de descarga por bajo vacío, y sefia1es del
sincronizador automático.
Indicadores que muestran la posición del sincronizador y 1imitador de
carga como también luces indicadoras de sus posiciones extremas de
"abierta" ó "cerrada", son provistas en el panel de la sala de control (BTGB).
Dado que la válvula piloto del limitador de carga está localizada antes que el
gobernador de velocidad, este último podrá abrir las válvulas reguladoras
solamente sí el limitador de carga ha sido abierto antes y por encima de la
apertura del sincronizador.
La válvula de parada es controlada ya sea, por la operación del motor de
la válvula de parada (motor de la válvula integral de desvío), ó por una
manivela local. El control del motor de la válvula de parada es desde la
89
manivela HS020 en el BTGB, y la posición de la válvula es vigilada por un
indicador de posición y por luces indicadoras de "abierta" ó "cerrada". Una
tercera luz ubicada en esta manivela (HS-020), muestra la operación del
CBS-1, el cual es usado para la operación del girador de la turbina y para la
protección de disparo eléctrico.
El CBS-1 está ajustado para operar cuando la válvula de parada está
cerrada. Una instalación local para prueba está provista en esta válvula, la
cual, cuando es operada, cierra parcialmente la válvula de parada,
cerciorándose así del libre movimiento de su vástago. Una alarma ".prueba
de la válvula de parada de la turbina" ("turbine stop valve test") también ha
sido provisto. La turbina es disparada a través del dispositivo de disparo
eléctrico (ETD) por cualquiera de las siguientes acciones:
• Botón pulsador para disparo de emergencia.
• Baja presión de aceite en los cojinetes.
• Baja presión de aceite hidráulico.
• Bajo nivel en el tanque de aceite.
• Falla de los cojinetes de empuje (activos o inactivos).
• Disparo por bajo vacío.
• Alta vibración.
• Alta temperatura de escape.
O, por la palanca manual de disparo, o por sobrevelocidad o También
existen un grupo de fallas eléctricas que causaran el disparo de la turbina.
90
Ellas serán tratadas por separado.
2.8.6 DETECTOR DE VELOCIDAD CERO
El detector de velocidad cero vigila la parada completa del rotar de la
turbina. Cuando este dispositivo ha detectado que el eje de la turbina se ha
detenido durante 30 segundos y la válvula de parada está cerrada; una señal
será enviada para el enganche del girador. Una vez que el eje esté en
girador, la luz indicadora de velocidad cero se apagará en el BTGB. Si la
velocidad cero es detectada pero la válvula de parada no está cerrada, una
luz se encender& indicando falla de velocidad cero. Se ha provisto de una
alarma para alertar cuando la turbina está en velocidad cero ("turbine zero
speed").
2.8.7 GIRADOR La turbina está provista con un girador el cual está montado entre la
turbina y el generador. Este girador está provisto con dos tipos de control;
manual y automático Cuando es seleccionado en control "automático" el
girador se enganchará automáticamente si se han cumplido las siguientes
condiciones:
• El detector de velocidad cero, en servicio.
91
• La velocidad cero ha sido detectada por 30 segs.
• La válvula de parada está cerrada.
El girador se desenganchará automáticamente cuando la velocidad de la
turbina exceda la velocidad del girador, y esto, debido a efectos de fuerza
centrífuga en su mecanismo intern00 El motor del girador se detendrá
cuando la válv.ula de parada deje su posición de cerrada. (suiche CBS-1,
contactos abiertos). Para la operación manual del girador el selector de
control local debe estar en la posición de “manual”. Usando los botones
pulsadores locales, el girador, el girador puede ser acoplado y su motor
puesto en servicio. Cuando el rotor empieza a girar, el desacoplamiento
automático también se llevara a cabo, solo que el motor eléctrico debe ser
detenido usando su respectivo botón pulsador local. También se ha provisto
de una alarma para alertar cualquier problema en el motor del girador.
2.8.8 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PARA LA DESCARGA DE LA TURBINA Un sistema de enfriamiento está provisto en la descarga de la turbina para
mantener la temperatura de la carcasa libre de sobre-calentamiento durante
"los períodos de operación a no carga, ó en baja carga.) El agua de rocío
para este sistema es suministrada desde el cabezal de descarga de las
bombas de extracción, a través de una válvula de control de temperatura.
Está válvula empezará a abrir cuando el controlador de temperatura ubicado
92
en la carcasa de la turbina, detecte una temperatura de 135°F, y se cerrará
una vez Que la temperatura en la misma esté por debajo de 125°F. Un
desvío manual (by-pass) en la válvula de control de temperatura también ha
sido provisto.
Dos suiches detectores de temperatura, localizados en la carcaza del lado
de descarga de la turbina, enviarán señales de alarma y alarma-disparo de la
turbina, así:
• A .175°F, se produce la 'alarma de "alta temperatura de descarga de la
turbina".
• A .225°F, se produce la alarma y "disparo de la turbina por alta
temperatura de descarga".
También se ha provisto de un termómetro local en la carcaza.
2.8.9 ROMPEDOR DE VACÍO Una válvula motorizada rompedora de vacío, permite, la entrada de aire
hacia el condensador y hacia la descarga de la turbina para aumentar la
resistencia a la rotación de las paletas por fricción con el aire añadido; de
esta manera se logra que la turbina se detenga más rápidamente. Esta
válvula rompevacío es controlada por una estación de control local y a su vez
está provista con una manivela para su operación manual en caso de falla de
su motor eléctrico. Se ha provisto también de una alarma para indicar la
93
sobrecarga de la válvula rompevacio.
.
2.8.10 INDICADOR DE LA ACELERACIÓN Un indicador de aceleración para facilitar el control de la turbina durante el
arranque y la sincronización ha sido suministrado en el BTGB. El indicador
deberá ser puesto en servicio, antes del arranque, y fuera de servicio,
después de la sincronización. Este indicador posee dos rangos de medición
de aceleración, -600 a +600 rpm y -60 a +60 rpm, y está provisto con un
suiche selector de rango.
2.8.11 DESCARGA POR BAJO VACÍO En condiciones de bajo vacío la turbina está protegida por; una alarma de
bajo vacío, un descargador por bajo vacío, y una alarma-disparo de la turbina
por bajo vacío. El circuito del descargador opera a través del interruptor
selector "en servicio - fuera de servicio", ubicado en el panel del BTGB.
Cuando en servicio y el vacío del condensador baje a A26" Hg (el cual es
detectado por el suiche LVUS), el descargador actuará sobre el motor del
limitador de carga para bajar la carga en el turbogenerador. Alarmas son
provistas para indicar la posición "fuera de servicio" del interruptor selector y
cuando la descarga por bajo vacío es iniciada.
94
Fuente: (1971, p.29). Manual del Operador. Turbina y Generador. General
Electric.
2.9. CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC)
Según Domingo, J (2003, p.107) define que un PLC es “Toda máquina
electrónica diseñada para controlar en tiempo real y entorno industriales,
procesos de naturaleza combi-nacional y secuencial. Su manejo en el ámbito
de instalación y programación puede ser realizado por personal técnico
carente de un gran nivel informático.”
Esto quiere decir que un PLC es todo dispositivo capaz de monitorear,
procesar y controlar un proceso en su totalidad de forma lógica,
desarrollándose en secuencia hasta lograr el objetivo producto o resultado
esperado.
2.9.1 FUNCIONES GENÉRICAS QUE REALIZA UN PLC
Domingo, J (2003, p.108) expone que un PLC realiza principalmente las
siguientes funciones genéricas:
1) Conexionado de contactos en serie y paralelo.
2) Realización de funciones lógicas simples (AND, OR, NOT, etc.) y más
complejas (conexionado paralelo de bloques en serie, conexionado en
serie de bloques paralelos, etc.)
95
3) Conteos, normalmente tanto ascendentes como descendentes.
4) Temporizaciones.
5) Operaciones y cálculos aritméticos (*, /,+, -).
6) Enclavamiento de contactos.
7) Procesado de señales digitales y analógicas.
8) Regulaciones (PID, fuzzy, etc.).
9) Comunicaciones industriales (field busses).
10)Procesos de auto-diagnóstico.
2.9.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS PLC
1) “Caja negra” con hardware transparente al usuario o programador.
2) Reducidas dimensiones con gran compactación.
3) Facilidad en su montaje e instalación.
4) Fácil programación, en general gracias a la ayuda de un software
intuitivo y bastante “amigable”.
5) Posibilidad de almacenar programas para su posterior y rápida
utilización.
6) Fácil reutilización de los programas.
Todo esto según Domingo, J (2003, p.109).
96
2.10 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES ALLEN BRADLEY
SLC-500
De acuerdo al manual “Módulos de E/S y controladores programables
SLC 500™.ALLEN-BRADLEY” (2001) se anexa lo siguiente:
Los productos SLC 500 de Allen-Bradley constituyen la familia modular
creada por Rockwell Automation de controladores programables (PLC)
compactos basados en chasis y E/S basadas en chasis. Está formada por
procesadores, E/S y dispositivos periféricos. Esta familia de procesadores
proporciona eficacia y flexibilidad a través de una amplia gama de
configuraciones de comunicaciones, características y opciones de memoria.
La incorporación de redes incorporadas, ampliaciones de la familia de E/S
1746, disponibilidad de módulos de E/S especiales creados por socios de
Encompass y un excelente paquete de programación para Windows, el SLC
500 de Allen-Bradley se ha convertido en el principal controlador de pequeño
tamaño del mercado.
2.10.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SLC-500
• Procesador sencillo y económico con grandes capacidades para una
amplia gama de aplicaciones, incluido el manejo de materiales, control
de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado,
97
operaciones de montaje de alta velocidad, control de procesos
pequeños y SCADA.
• Conjunto de instrucciones avanzadas basadas en los procesadores de
tamaño medio PLC-5 y compatibles con la familia MicroLogix de
controladores instalados.
• Mejoras en las comunicaciones que permiten que los 5/03, 5/04 y 5/05
proporcionen control maestro de redes SCADA.
• Funciones eficaces que incluyen direccionamiento indirecto, capacidad
matemática de alto nivel e instrucciones de cálculo.
• Amplia gama de tamaños de memoria, desde 1 K hasta 64 K.
2.10.2 FUENTES DE ALIMENTACIÓN SLC 500
Cuando se configura un sistema modular SLC, cada chasis requiere una
fuente de alimentación que dé energía al procesador y a las ranuras de E/S.
Con una configuración cuidadosa del sistema se consigue el mejor
rendimiento. Una carga excesiva de las salidas de la fuente de alimentación
puede provocar una desactivación o un fallo prematuro de la fuente de
alimentación. Al seleccionar una fuente de alimentación, se debe tener en
98
cuenta la futura expansión del sistema. Las fuentes de alimentación de los
SLC 500 poseen las siguientes características:
• Todas las fuentes de alimentación tienen un indicador LED que se
enciende cuando la fuente de alimentación funciona adecuadamente:
así se ahorra tiempo en la solución de problemas.
• Las fuentes de alimentación están diseñadas para resistir breves
pérdidas de alimentación: la pérdida de alimentación no afecta al
funcionamiento del sistema durante un período de 20 milisegundos a 3
segundos, dependiendo de la carga.
• Las fuentes de alimentación de CA tienen un cable puente para
seleccionar fácilmente entre 120 o 240 VCA: no hace falta un
cableado especial.
Figura 4. Fuente de alimentación SLC 500
Fuente: Módulos de E/S y controladores programables SLC 500™.ALLEN-BRADLEY. (2001)
99
2.10.3 CHASIS SLC 500
El chasis aloja al procesador y los módulos de E/S. Se puede elegir entre
cuatro tamaños de chasis: de 4 ranuras, 7 ranuras, 10 ranuras y 13 ranuras.
Cada chasis debe tener una fuente de alimentación. La fuente de
alimentación va montada a la izquierda del chasis. La primera ranura del
primer chasis está reservada para el procesador SLC o para el módulo
adaptador (1747-ASB, 1747-ACN15 o -ACNR15).
Todos los componentes se deslizan fácilmente en el chasis siguiendo
unas guías que hay en el chasis. No hacen falta herramientas para insertar o
extraer el procesador o los módulos de E/S.También se pueden conectar los
chasis entre sí para formar un sistema (el máximo es de 3 chasis) utilizando
uno de los cables de interconexión de chasis.
Figura 5. Chasis SLC 500 Fuente: Módulos de E/S y controladores programables SLC
500™.ALLEN-BRADLEY. (2001)
100
2.10.4 MÓDULOS DE E/S DISCRETA
Los módulos de E/S están disponibles en una amplia gama de
densidades que incluyen 4, 8, 16 y 32 puntos y pueden interconectarse con
niveles de voltaje de CA, CC y TTL. Los módulos de salida están disponibles
con CA de estado sólido, CC de estado sólido y salidas de tipo de contacto
de relés.
Para mayor flexibilidad, los módulos combinados también están disponibles
en versiones de 2 entradas/2 salidas, 4 entradas/4 salidas y 6 entradas/6
salidas.
Diseñados y probados para aplicaciones industriales, nuestros módulos
son de la mejor calidad. Los módulos cuentan con filtro de entrada,
aislamiento óptico y protección contra sobretensión incorporada para mejorar
la fiabilidad de su funcionamiento en entornos industriales ruidosos.
Características:
• Hay disponibles E/S de CC de 32 puntos y alta densidad y entradas de
CC de respuesta rápida, lo cual permite aplicar el SLC 500 a un mayor
número de aplicaciones de control LED que indican el estado de cada
punto de E/S, lo cual contribuye a la solución de problemas.
101
• Los LED se encienden cuando se recibe la señal correspondiente en
un terminal de entrada o cuando el procesador aplica energía a un
terminal de salida.
• Diagramas de identificación de terminales ubicados en cada módulo,
que facilitan la identificación de los terminales.
• Todos los módulos tienen aislamiento óptico entre circuitos digitales y
de campo, lo cual aumenta la inmunidad contra el ruido y limita los
daños al sistema causados por un fallo eléctrico del cableado de
campo.
• Hay disponibles módulos de salida de estado sólido con protección
electrónica y de fusibles, lo cual elimina la necesidad de sustituir
módulos dañados por cortocircuitos y sobrecargas.
• Los bloques de terminales extraíbles permiten sustituir el módulo sin
volver a cablearlo (esto no está disponible en todos los módulos).
También se proporciona una banda de color en la parte frontal del
módulo que coincide con el color del bloque de terminales del módulo.
• Se proporcionan bloques de terminales tipo barrera en todos los
módulos para evitar cortocircuitos accidentales del cableado de
campo.
102
• Las lengüetas autotrabantes fijan los módulos al chasis y no hacen
falta herramientas para instalar o desmontar los módulos en el chasis.
Figura 6. Módulos de entradas y salidas discretas SLC 500. Fuente: Módulos de E/S y controladores programables SLC
500™.ALLEN-BRADLEY. (2001)
2.10.5 MÓDULOS DE E/S ANALÓGICA
Características:
• Entradas seleccionables por el usuario que permiten configurar cada
canal de entrada para una señal de voltaje o corriente procedente del
detector.
• Salidas de alta resolución que proporcionan un control preciso de las
salidas analógicas.
• Filtro de entrada en módulos que proporciona una alta inmunidad al
ruido electrónico o una rápida respuesta de entrada para aplicaciones
de alta velocidad.
103
• Aislamiento del backplane que aísla las señales de entrada del
backplane. Bloques de terminales extraíbles que permiten sustituir un
módulo rápidamente sin desmontar el cableado.
• Módulos de alta densidad que proporcionan un uso más eficaz del
espacio de chasis y un costo por punto más bajo.
• Información de diagnóstico que permite aumentar el tiempo productivo
de la maquinaria y reducir el tiempo dedicado a la solución de
problemas, con ayuda de bits de estado de diagnóstico para detección
de circuitos abiertos y condiciones fuera de rango. También se
proporcionan indicadores de estado de los canales y un indicador de
estado del módulo.
• Canales configurables mediante software que se pueden configurar
individualmente con el programa de lógica de escalera y se pueden
volver a configurar sin interrumpir el funcionamiento de la CPU. Una
tabla de configuración de bits muy fácil de usar permite al usuario
elegir el tipo de entrada, el formato de los datos, la frecuencia de filtro
y los datos de estado que mejor se adaptan a la aplicación.
104
Figura 7.Módulos de entradas y salidas analogicas SLC 500 Fuente: Módulos de E/S y controladores programables SLC
500™.ALLEN-BRADLEY. (2001)
2.10.6 SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN RSLOGIX 500
El paquete de programación de lógica de escalera RSLogix 500 ayuda a
maximizar el rendimiento, ahorrar tiempo de desarrollo de proyectos y
mejorar la productividad. Este producto se ha desarrollado para funcionar
con los sistemas operativos de 32 bits Windows 95®, Windows 98, Windows
NT™ de Microsoft. Como soporte para las familias de procesadores SLC 500
y MicroLogix de Allen-Bradley, RSLogix 500 fue el primer software de
programación de PLC en ofrecer productividad inigualable con una interface
de usuario líder en la industria.
Los paquetes de programación RSLogix 500 son compatibles con los
programas creados con los paquetes de programación basados en DOS de
Rockwell Software para las familias de procesadores SLC 500 y MicroLogix,
lo cual facilita el mantenimiento de programas entre plataformas de
hardware.
105
2.10.7 PLC ALLEN BRADLEY SCL 500 INSTRUCCIONES
A continuación se anexa la información extraída del “Manual de
referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y
MicroLogix 1000. Allen Bradley”. (1996), acerca de las instrucciones
generales y explica cómo funcionan en su programa de aplicación. Cada
una de estas instrucciones básicas incluye información acerca de:
• Cómo aparecen los símbolos de instrucción
• Cómo usar la instrucción
2.10.7.1 INSTRUCCIONES DE BIT
(A) INSTRUCCIÓN EXAMINE SI CERRADO (XIC)
La siguiente instrucción se usa en el programa de escalera para
determinar si un bit está activado. Cuando la instrucción se ejecuta, si la
dirección de bit está activada (1), entonces la instrucción es evaluada como
verdadera. Cuando la instrucción se ejecuta, si el bit direccionado está
desactivado (0), entonces la instrucción evaluada como falsa.
Figura 8.Instruccion XIC
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
106
(B) INSTRUCCIÓN EXAMINE SI ABIERTO (XIO)
La siguiente instrucción se usa en el programa de escalera para
determinar si un bit está desactivado. Cuando la instrucción se ejecuta, si el
bit direccionado está desactivado (0), entonces la instrucción es evaluada
como verdadera. Cuando la instrucción se ejecuta, si el bit direccionado está
activado (1), entonces la instrucción es evaluada como falsa.
Figura 9.Instruccion XIO
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
(C) INSTRUCCIÓN ACTIVE LA SALIDA (OTE)
La presente se usa instrucción OTE en el programa de escalera para
activar/desactivar un bit cuando las condiciones de renglón son evaluada
como verdaderas/falsas respectivamente.
Figura 10.Instruccion OTE
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996).
107
(D) INSTRUCCIÓN ENCLAVAMIENTO DE SALIDA (OTL) Y
DESENCLAVAMIENTO DE SALIDA (OTU)
OTL y OTU son instrucciones de salida retentivas. OTL sólo puede activar
un bit, en cambio, OTU sólo puede desactivar un bit. Estas instrucciones se
usan generalmente en parejas, con ambas instrucciones direccionando el
mismo bit. Su programa puede examinar un bit controlador por instrucciones
OTL y OTU tantas veces como sea necesario.
Figura 11.Instruccion OTL y OTU.
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
2.10.7.2 INSTRUCCIONES DEL TEMPORIZADOR Y CONTADOR
(A) TEMPORIZADOR A LA CONEXIÓN (TON)
108
La instrucción TON, se usa para activar o desactivar una salida después
de que el temporizador haya estado activado durante un intervalo de tiempo
preseleccionado. La instrucción TON comienza a contar los intervalos de la
base de tiempo cuando las condiciones de renglón se hacen verdaderas.
Con tal que las condiciones de renglón permanezcan verdaderas, el
temporizador ajusta su valor acumulado (ACC) durante cada evaluación
hasta alcanzar el valor predeterminado (PRE). Cuando las condiciones de
renglón se hacen falsas, el valor acumulado se reinicializa sin importar si el
temporizador ha sobrepasado el límite de tiempo.
Figura 12.Temporizador TON Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de
instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
(B) TEMPORIZADOR A LA DESCONEXIÓN (TOF)
La instrucción TOF se usa, para activar o desactivar una salida después
de que su renglón ha estado desactivado durante un intervalo de tiempo
preseleccionado. La instrucción TOF comienza a contar los intervalos de la
base de tiempo cuando el renglón efectúa una transición de verdadero a
109
falso. Con tal que las condiciones permanezcan falsas, el temporizador
incrementa su valor acumulado (ACC) durante cada scán hasta alcanzar el
valor preseleccionado (PRE). El valor acumulado se restablecerá cuando las
condiciones de renglón se hagan verdaderas, sin importar si el tiempo en el
temporizador se ha agotado.
Figura 13.Temporizaor TOF Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de
instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
(C) CONTADOR PROGRESIVO (CTU)
El CTU es una instrucción que cuenta las transiciones de renglón de falso
a verdadero. Las transiciones de renglón pueden ser provocadas por eventos
ocurriendo en el programa (de la lógica interna o dispositivos de campo
externos) tales como piezas que pasan por un detector o que activan un
interruptor de límite.
110
Figura 14.Contador CTU
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
(D) CONTADOR REGRESIVO (CTD)
El CTD es una instrucción que cuenta las transiciones de renglón de falso
a verdadero. Las transiciones de renglón pueden ser causadas por eventos
que ocurren en el programa, tales como piezas pasando por un detector o
accionando un final de carrera.
Figura 15.Contador CTD
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
(E) RESTABLECIMIENTO (RES)
La instrucción RES, se usa para restablecer un temporizador o contador.
Cuando se habilita la instrucción RES, restablece la instrucción de retardo
del temporizador a la conexión (TON), temporizador retentivo (RTO), conteo
111
progresivo (CTU) o conteo regresivo (CTD) con la misma dirección que la
instrucción RES.
Figura 16.Instruccion RES
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
2.10.7.3 INSTRUCCIONES DE COMPARACIÓN
(A) INSTRUCCIÓN IGUAL (EQU)
Se usa la instrucción EQU para probar si dos valores son iguales. Si la
fuente A y la fuente B son iguales, la instrucción es lógicamente verdadera.
Si estos valores no son iguales, la instrucción es lógicamente falsa.
La fuente A debe ser una dirección. La fuente B puede ser una constante
de programa o una dirección. Los enteros negativos se almacenan de forma
complementaria de dos.
Figura 17.Instruccion EQU
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
112
(B) INSTRUCCIÓN NO IGUAL (NEQ)
La instrucción NEQ sirve para probar si dos valores no son iguales. Si la
fuente A y la fuente B no son iguales, la instrucción es lógicamente
verdadera. Si los dos valores son iguales, la instrucción es lógicamente
falsa.
La fuente A debe ser una dirección. La fuente B puede ser un constante de
programa o una dirección. Los enteros negativos se almacenan de forma
complementaria de dos.
Figura 18.Instruccion NEQ
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
(C) INSTRUCCIÓN MENOR QUE (LES)
La instrucción LES sirve para probar si un valor (fuente A) es menor que
otro (fuente B). Si la fuente A es menor que el valor en la fuente B, la
instrucción es lógicamente verdadera. Si el valor en la fuente A es mayor o
igual que el valor en la fuente B, la instrucción es lógicamente falsa. La
fuente A debe ser una dirección. La fuente B puede ser una constante de
113
programa o una dirección. Los enteros negativos se almacenan de forma
complementaria de dos.
Figura 19Instruccion LES
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
(D) INSTRUCCIÓN MAYOR QUE (GTR)
Se usa la instrucción GRT para probar si un valor (fuente A) es mayor que
otro (fuente B). Si la fuente A es mayor que el valor en la fuente B, la
instrucción es lógicamente verdadera. Si el valor en la fuente A es menor o
igual que el valor en la fuente B, la instrucción es lógicamente falsa.
La fuente A debe ser una dirección. La fuente B puede ser un constante
de programa o una dirección. Los enteros negativos se almacenan de forma
complementaria de dos.
Figura 20.Instruccion GEQ
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
114
2.10.7.4 INSTRUCCIONES MATEMÁTICAS
(A) INSTRUCCIÓN ESCALAR CON PARÁMETROS (SCP)
Se usa la instrucción SCP, para producir un valor de salida escalado que
tiene una relación lineal entre los valores de entrada y escalados. Esta
instrucción tiene capacidad para valores de entero y punto (coma) flotante.
Figura 21.Instruccion SCP
Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
(B) INSTRUCCIÓN CALCULAR
La instrucción CPT, efectúa operaciones de copiar, aritméticas, lógicas y
conversión. Usted define la operación en la expresión y el resultado se
escribe en el destino. El CPT usa funciones para operar en uno o más
valores en la expresión para efectuar operaciones tales como:
115
• Convertir de un formato de número a otro
• Manejar los números
• Efectuar funciones trigonométricas
Figura 22.Instruccion CTP Fuente: Manual de referencia PLC ALLEN BRADLEY. Juego de
instrucciones de SLC 500 y MicroLogix 1000. Allen Bradley. (1996)
3. SISTEMA DE VARIABLES 3.1. CONCEPTUAL 3.1.1. SISTEMAS DE CONTROL Según Dorf, R. (2005, p.3) un sistema de control “una interconexión de
componentes que forman una configuración del sistema que proporcionara
una respuesta deseada del sistema.” Entonces se puede decir que la base
para el análisis de un sistema es el fundamento proporcionado por la teoría
de los sistemas lineales, la cual supone una relación de causa-efecto para
los componentes de un sistema.
Por último se puede determinar que un sistema de control es aquel que
proporciona una relación de entrada-salida, comparando ambas variables
116
con la proporción implementada, para que la misma pueda controlar el
sistema y corregir dichos errores.
3.1.2. TURBINAS A VAPOR
Según Jaume, L. (2004, p.91) “Las turbinas de vapor son máquinas
térmicas que generan energía a partir de vapor a alta presión y temperatura;
este vapor se expansiona hasta una presión menor y parte de la diferencia
de entalpia entre el vapor entrante y saliente, se convierte en energía
mecánica en el eje de la máquina”.
De lo anteriormente definido se puede decir, que las turbinas de vapor son
máquinas que convierten o transforman en energía mecánica, la energía
proveniente del vapor. El uso o aplicación de las turbinas a vapor, casi
siempre forma parte del proceso de producción eléctrica en una planta
generadora de electricidad.
3.2. OPERACIONAL 3.2.1. SISTEMAS DE CONTROL Este permitirá que dicho control de velocidad de la turbinas, sean
controlados de manera factible en la instalación, proporcionando un control
117
automático con retroalimentación logrando así el valor deseado de
aceleración para que las misma no se embalen.
3.2.2. TURBINAS A VAPOR Las turbinas estarán destinadas a operar a una determinada velocidad de
giro para la cual las mismas puedan producir la energía en potencia
necesaria en la instalación.
