Control de Turbinas de Gas y Vapor
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Conferencia Anual de la Sección Española de ISA 2001 -1- _________________________________________________________________________________________ CONTROL DE TURBINAS DE GAS Y DE VAPOR SERGIO ASENJO ABB ESPAÑA _________________________________________________________________________________________ RESUMEN Se trata de un resumen de los aspectos más destacados en las estrategias de control de las Turbinas de Gas y de Vapor, realizando una síntesis de la estructura fundamental de los modernos equipos de control, así como de la estructura de los lazos de control más relevantes. 1. INTRODUCCION La incorporación de nuevas tecnologías en el control han permitido un avance notorio en la sustitución de los controles de turbinas convencionales, hacia los equipos electrónicos permitiendo una operación más flexible de las turbinas, así como redundar en la seguridad y disponibilidad de los equipos mecánicos. Fundamentalmente la mejora en se ha traspasado a la automatización de secuencias. Además los nuevos Sistemas de control permiten optimizar la relación entre el esfuerzo que sufre el material y la demanda de potencia que se exige a los equipos. La posibilidad de realizar un análisis mucho más eficaz de las señales y la correlación con efectos mecánicos es una ventaja adicional de las modernas técnicas de Sistemas de Información. 2. OBJETIVOS Conocer con un grado de detalle suficiente las partes constituyentes de los sistemas de control de Trubinas de Gas y de Vapor así como los diferentes lazos relevantes de dichos lazos. 3. DESCRIPCION 3.1 Turbina de Gas Las modernas turbinas de gas de energía han supuesto un gran reto tecnológico grande desde el punto de vista de ciencia de materiales y de procesos termodinámicos. Por ello la supervisión y el control electrónico se han convertido en una herramienta fundamental para garantizar el funcionamiento óptimo de los equipos. Control Analógico Las tareas que desarrolla el control analógico son el controlar de modo continuo las variables de proceso de acuerdo a las consignas en uso. Esta tarea debe de ser realizada durante el arranque y la parada además de la operación en carga o durante las variaciones de carga, en las cuales las limitaciones estáticas y dinámicas son efectivas. Las limitaciones estáticas vienen limitadas por las cargas permisibles y las dinámicas por los márgenes de temperatura. El control analógico de la turbina se compone de los siguientes lazos fundamentalmente: - Control de arranque y parada - Control de Frecuencia y Carga - Control de Temperatura para la turbina de alta y baja - Control de posición de los Alabes de distribución
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control de turbinas a gas
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Conferencia Anual de la Seccin Espaola de ISA 2001 -1-
_________________________________________________________________________________________
CONTROL DE TURBINAS
DE GAS Y DE VAPOR
SERGIO ASENJO
ABB ESPAA
_________________________________________________________________________________________
RESUMEN
Se trata de un resumen de los aspectos ms
destacados en las estrategias de control de las
Turbinas de Gas y de Vapor, realizando una
sntesis de la estructura fundamental de los
modernos equipos de control, as como de la
estructura de los lazos de control ms relevantes.
1. INTRODUCCION
La incorporacin de nuevas tecnologas en el
control han permitido un avance notorio en la
sustitucin de los controles de turbinas
convencionales, hacia los equipos electrnicos
permitiendo una operacin ms flexible de las
turbinas, as como redundar en la seguridad y
disponibilidad de los equipos mecnicos.
Fundamentalmente la mejora en se ha traspasado a
la automatizacin de secuencias. Adems los
nuevos Sistemas de control permiten optimizar la
relacin entre el esfuerzo que sufre el material y la
demanda de potencia que se exige a los equipos.
La posibilidad de realizar un anlisis mucho ms
eficaz de las seales y la correlacin con efectos
mecnicos es una ventaja adicional de las modernas
tcnicas de Sistemas de Informacin.
2. OBJETIVOS
Conocer con un grado de detalle suficiente las
partes constituyentes de los sistemas de control de
Trubinas de Gas y de Vapor as como los diferentes
lazos relevantes de dichos lazos.
3. DESCRIPCION
3.1 Turbina de Gas
Las modernas turbinas de gas de energa han
supuesto un gran reto tecnolgico grande desde el
punto de vista de ciencia de materiales y de
procesos termodinmicos. Por ello la supervisin y
el control electrnico se han convertido en una
herramienta fundamental para garantizar el
funcionamiento ptimo de los equipos.
Control Analgico
Las tareas que desarrolla el control analgico son el
controlar de modo continuo las variables de proceso
de acuerdo a las consignas en uso. Esta tarea debe
de ser realizada durante el arranque y la parada
adems de la operacin en carga o durante las
variaciones de carga, en las cuales las limitaciones
estticas y dinmicas son efectivas. Las limitaciones
estticas vienen limitadas por las cargas permisibles
y las dinmicas por los mrgenes de temperatura.
El control analgico de la turbina se compone de
los siguientes lazos fundamentalmente:
- Control de arranque y parada
- Control de Frecuencia y Carga
- Control de Temperatura para la turbina de alta y
baja
- Control de posicin de los Alabes de
distribucin
-
Conferencia Anual de la Seccin Espaola de ISA 2001 -2-
G
Fuel Gas
Act. Ctrl
Fuel Oil
Act. Ctrl
HP Fuel sel LP Fuel sel
Guide Vane
Act. Ctrl
Load / Frequency Control
Start-up
Control
Load
Setpoint
Frequency
Setpoint
Temp Ctrl Temp CtrlPress. Ctrl
Unit Load
Coordinator
El lazo de control de arranque controla hasta que el
Grupo ha llegado hasta la velocidad nominal. En
este se asegura que la relacin Combustible/Aire de
manera que los gases de escape no excedan los
limites permisibles a la mxima aceleracin.
La sincronizacin se realiza mediante un dispositivo
autnomo que adapta la velocidad de la turbina para
engancharse a la frecuencia de red. Cuando esta
frecuencia es la apropiada de la red los parmetros
de Frecuencia, Angulo de fase y Tensin son
adaptados a la red. Se ha de permitir una banda de
regulacin como factor de fluctuacin de frecuencia
para los cambios de carga de modo que tenga la
dinmica adecuada. Si se funciona en isla el
funcionamiento es semejante slo que el
sincronizador da la consigna de la frecuencia.
El controlador de Frecuencia/carga deduce la
consigna de carga mediante el factor de fluctuacin
y de la consigna de Potencia activa. Las cmaras de
combustin de la turbina dispone de una serie de
actuadores que regularn la carga mediante la
inyeccin del combustible adecuado para la turbina
de Alta Presin y la de Baja Presin as como los
Alabes de distribucin.
Se calcula una consigna de carga para cada
actuador y entonces es usada por los controladores
de temperatura de la Turbina de Alta presin y la de
Baja Presin as como la de la presin de descarga
del compresor. Con todas estas variables junto con
las medidas de temperatura y presin se mantiene la
operacin.
Control Binario
El control binario en la actualidad es algo
completamente automatizado donde los distintos
sistemas auxiliares de la turbina van siendo
conmutados para arranque o paro de modo
secuencial. No hay intervencin del operador
excepto para la seleccin del combustible y de la
carga.
Su funcin fundamental es controlar, proteger y
monitorizar todos los actuadores, los cuales tienen
la funcin ON/OFF o Abierto/Cerrado. El control
ha de tener una estructura jerrquica donde el nivel
ms bajo es el de accionamiento realizndose los
enclavamientos en el control para simplificar los
CCMs.
El siguiente nivel es el de grupo, donde se realizan
funciones simples de automatizacin como 2x200%
o 3x50% con rearranque de los accionamientos de
respaldo automtico en caso de perturbaciones, as
como las tareas de preseleccin en funcin de
diferentes criterios.
Drive Level
Function Group Level
Process Automation Level
drive drive drive
FG FG
SEQUENCER
GT
Por encima est el grupo funcional, donde se
realizan las acciones principales de los
accionamientos principales con los auxiliares.
Se divide la turbina en los siguientes Grupos
funcionales:
Aceite de lubrificacin
Combustible Gas
Fuel Oil
Dispositivos de arranque
Virador
Excitacin
Sincronizacin
Recierre
Purgado
Antiincendios
Ventilacin de la carcasa
El criterio de ejecucin se basa en secuencias donde
se van liberando conforme vamos avanzando. Una
caracterstica relevante
Las secuencias de arranque y parada se pueden ver
en la siguiente figura.
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Conferencia Anual de la Seccin Espaola de ISA 2001 -3-
Initialisation
Cranking
Purge
Ignition
Start-up
Idle
Excitition
Synchronisation
Load
Deloading
Speed Setpoint
Reduction
Fuel shut off
Shut down
Stop
Rotor barring
Sta rt-up Shu t-do wn
0%
Gen.Break.open
Sp e ed , Loa d
100 %
Spe e d
Lo a d
Proteccin
Supervisa todos lo parmetros independientemente
de la fase de la operacin donde se est. Los
sistemas deben de estar diseados por sistemas fail-
safe. Los sensores son redundantes en la medida
que un fallo provoca disparo de turbina.
La lgica de proteccin debe de ser del tipo 2 de 3,
de modo que la electrnica acte sobre la hidrulica
desenergizando.
La estructura de alarmas debe de ser de tal modo
que se produzca una prealarma para informar al
operador, que si no se toma acciones de correccin
se producir el disparo del grupo.
Si el generador est enganchado a la red slo es
abierto el interruptor del generador. De modo que
no se produzca un disparo de la unidad. Esta
modalidad evita el estrs de la mquina. Una lista
de los elementos que realizan la tarea de proteccin
estn listados en la siguiente tabla.
Tabla 1: Criterios de Proteccin crticos
Arquitectura tpica de medidas de proteccin de las
turbinas.
Channel 3
DO
AI
Channel 2
DO
AI
Channel 1
DO
AI
Hydraulic Trip Block
-- High Speed Serial Link
&Voting
Algorithm
Signal
Cond.
&Voting
Algorithm
Signal
Cond.
&Voting
Algorithm
Signal
Cond.
Controller 1
Controller 2
Controller 3
Supervisin de la Turbina
Monitorizacin de Velocidad
La velocidad se mide por tres sondas redundantes
que son procesadas por una lgica 2 de 3. La
velocidad suele tener una salida directamente
cablead para el disparo. Esta medida se utiliza para
el clculo de la aceleracin durante el arranque.
Monitorizacin de la Vibracin
La vibracin es una indicacin fundamental para el
estado de la mquina.
Las siguientes vibraciones son medidas en la
turbina de gas:
- Las vibraciones de las carcasas de los cojinetes se
monitorizan con sondas de velocidad, y estas
producen disparo.
- Vibraciones relativas en el eje son monitorizadas
en las direcciones x e y en los cojinetes pero son
informativas y no realizan disparo.
Monitorizacin de Temperatura
La temperatura de escape es medida por termopares
distribuidos alrededor de la periferia del difusor.
Los valores se supervisan constantemente para
detectar cualquier anomala. Estas medidas sirven
para regulacin aparte del disparo. Las temperaturas
de entrada son calculadas con estas y presiones
diferenciales a lo largo de la turbina.
Monitorizacin de Llama
Con estos dispositivos se utilizan para la ignicin y
la proteccin por fallo. Se monitoriza por medio de
sensores montados en el combustor. El disparo se
realiza ante un fallo de un segundo como mximo.
Contador de Operaciones
El estrs generado en los componentes es calculado
por un contador por software de modo que se
calculan las Horas equivalentes compensadas con
las condiciones transitorias. De aqu se saca la
informacin para el mantenimiento.
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Conferencia Anual de la Seccin Espaola de ISA 2001 -4-
Control de Velocidad y proteccin de
Sobrevelocidad
Se realiza mediante lgica 2 de 3 para la medida y
proteccin.
Son tres sondas situadas axialmente y amplificadas
localmente para ser enviadas al control.
Figura Equipamiento de Monitorizacin Velocidad
La velocidad es un parmetro fundamental que se
lleva al SCD y se muestra de modo continuo en los
sinpticos de la sala de control.
Si dos de las sondas llegan al valor de
sobrevelocidad, se genera una alarma, si la
velocidad sigue subiendo y excede un valor de
disparo predeterminado, se inicia la secuencia de
disparo de la turbina.
Monitorizacin de la Temperatura de Cojinetes
Se monitorizan los dos cojinetes de apoyo de la
Turbina de Gas, los dos del generador, los dos de la
excitacin adems de los cojinetes de gua para
apoyos intermedios. Los puntos de medida son con
termopar doble, los termopares disponen de
transmisor en los cabezales.
Hay tres niveles de alarmas que evitan el dao del
material de la turbina.
Una alarma es iniciada si la temperatura del cojinete
de giro y/o el cojinete de empuje alcanzan la
temperatura de metal por encima del valor limite
prefijado
Una desconexin del Interruptor del Grupo de Gas
(load shedding) se inicia si la temperatura del
cojinete del grupo alcanza el valor prefijado de
desconexin.
Un disparo del grupo se inicia si se alcanza la
temperatura mxima del cojinete de empuje
Fig. Monitorizacin de Temperatura de Cojinetes
Monitorizacin de Vibracin
Se trata de medir el desplazamiento relativo del eje,
vibraciones del pedestal y mediciones de ngulo de
fase.
Dos tomas ssmicas en pedestal se montan una en el
eje vertical y otra en el horizontal, adems de una
sonda de ngulo de fase en el embrague.
El sistema es por lgica 1 de 2 por cojinete para
disparo por vibraciones.
Seguridad
En el eje de Turbina se procesan dos alarmas para
evitar el dao del material.
Una alarma es iniciada si la vibracin de cualquiera
de los sensores del pedestal o cojinetes sobrepasa
un nivel prefijado.
El disparo del Grupo de Gas se inicia s uno de los
dos captadores de cualquiera de los cojinetes
sobrepasa el nivel de disparo.
En el eje del Generador aparece una alarma si
aparece para cualquier cojinete en el Generador en
la excitacin. El disparo se produce cuando al
menos 1 de 2 de los sensores del generador o la
excitacin alcanzan los niveles de disparo.
Fig. Monitorizacin de Vibraciones
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Conferencia Anual de la Seccin Espaola de ISA 2001 -5-
3.2 Turbina de Vapor
El sistema de control se compondr de las
siguientes partes:
- Control Secuencial y binario
- Control Analgico
- Medida
- Proteccin
El nivel menos complejo de automatizacin en el
Control Secuencial que se compone de los
actuadores que pueden ser operados por si mismos
o dentro de un grupo funcional, en donde pueden
ser en modo automtico o modo manual.
Para las medidas se compone de la medicin
convencional as como de todos aquellos valores
que se han de componer que no pueden ser medidos
fsicamente.
La proteccin se compone de todas aquellas
secuencias y decisiones para realizar la parada del
turbogrupo, adems de la lgica de medidas que
asegura el disparo por las variables crticas.
La tarea fundamental del control de turbina de
vapor es el control de velocidad, que
fundamentalmente se compone de dos funciones la
primera llevar a la velocidad nominal y segundo el
mantenerla en el rango correspondiente para todas
las cargas. Para el mantenimiento de la velocidad
aparecen necesidades con requisitos cada vez ms
exigentes de estabilidad en la red.
De aqu que la red exige cada vez ms una mayor
sensibilidad al control as como una lienalidad
mayor entre carga y frecuencia independientemente
de la presin de vapor y el vaco.
No obstante dada la complejidad mecnica de la
turbina, sta es protegida por el control de los
excesivos cambios y de gradientes de cambios muy
pronunciados. Todas estas funciones son
desarrolladas por el control de carga.
Adems existen otros controles como el control de
velocidad que sus funciones son las de llevar a
velocidad nominal y sincronizar y el control de
presin que es necesario cuando hay perturbaciones
en la caldera.
Control Secuencial
Para operar la turbina es necesario una serie de
operaciones para funciones auxiliares con
accionamientos motorizados del tipo condensado,
vaco, etc.
Todos los accionamientos que funcionan como un
todo se juntan en el llamado Grupo funcional. La
coordinacin de los accionamientos dentro del cada
grupo funcional es realizada mediante requisitos de
proceso.
Los siguientes Grupos funcionales son los usuales
de una turbina de vapor de condensacin:
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Conferencia Anual de la Seccin Espaola de ISA 2001 -6-
Aceite de Lubricacin
Aceite de Control
Condensado
Drenajes de turbina
Vapor de cierres
Vaco del Condensador
Sincronizacin
Virador
Preparacin del vapor vivo
Durante los procesos de arranque o parada el
funcionamiento por grupos funcionales libera al
operador de muchos trabajos de seguimiento y
operacin, de modo que se redunda en una
operacin ms fiable. El grupo funcional puede que
no llegue a realizar su objetivo bien por disturbio en
el proceso por defecto o por tiempo, en cuyo caso
se produce una alarma.
Stand stillTurning Gear
Operation
Bypass
Operation
No Load
without
Excitation
No Load
with
Excitation
Load
Operation
Start Up ProgramStart Up Program
No Load
with
Excitation
No Load
without
Excitation
Bypass
Operation
Turning Gear
OperationStand still
Shut Down ProgramShut Down Program
Shut Down Forced By Process
Supervisin y Proteccin
Las medidas que son tomadas para realizar
proteccin suelen ser tomadas en lgicas 2 de 3
cuando el disparo ha de ser inmediato, de otro
modo se usa la lgica 1 de 2.
Entre otras se toman medidas como:
- Temperaturas de vapor relevantes para las
condiciones de la turbina
- Grado de vapor sobrecalentado antes de la turbina
- Diferencias de temperatura del material
- Expansiones relativas ente eje y carcasa
- Temperatura de los cojinetes de generador y
turbina
- Vibraciones de los ejes
- Velocidad
Temperaturas de Vapor y Carcasa
Se suelen poner con transmisor y algunas de ellas
con termopar doble.
Entre ellas se miden:
- Temperatura absoluta de la carcasa
- Temperatura diferencial de vapor a carcasa
- Temperatura diferencial entre la parte superior e
inferior en la turbina
Supervisin de temperatura de cojinetes
La temperatura de los cojinetes de la turbina o del
generador se mide en los drenajes del aceite o la
temperatura de metal. Sirven como enclavamientos
en la secuencia de arranque.
Supervisin del Vapor Sobrecalentado
El nivel apropiado de sobrecalentamiento al vapor
vivo es imprescindible para el arranque de la
turbina. Este nivel viene dado por la diferencia
entre temperatura de vapor vivo y la
correspondiente temperatura de saturacin.
Supervisin de Vibraciones
Se supervisan para verificar que el proceso de
arranque no se produce unas vibraciones peligrosas
para la integridad de la turbina. Se realizan una
serie de escalones de gravedad en la vibracin
desde alarma hasta disparo.
Supervisin de las expansiones
Es utilizado como gua para de la evolucin del
calentamiento y parada de la turbina.
Supervisin de Gradientes de Temperatura
Con objeto de modificar el estrs del material. Se
ponen las sondas en el dispositivo que corresponda.
En el caso de medir la temperatura de partes
rotativas se utilizan modelos de trmicos de
transferencia, disponiendo la sonda en puntos donde
se producen transferencias trmicas similares a las
que se desean medir.
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Conferencia Anual de la Seccin Espaola de ISA 2001 -7-
Rotortemperaturedistribution
Stresscalculation
S=F( )
Permissiblestress (G) and
control (R)
Relativecomparative
stress S/R, S/G
Run-up, loadmargins for
turbine controlProtection
1
1
G,RS
S/RS/R S/G S/G
1
1
m
Load PrgmRun-up PrgmAlarm
OSTrend
Arranque de turbina
Una vez que el vapor suministrado de la caldera es
suficiente comienza el proceso de arranque se va
generando la consigna de velocidad hasta que la
mquina es sincronizada, para despus pasar a un
control de carga ya en operacin. En este proceso se
deben de tener en cuenta el control de estrs del
material.
4. CONCLUSIONES
Con este somero repaso se pretende conocer los
aspectos ms desrtacados de los sistemas de Control
modernos de las Turbinas de Gas y de Vapor, as
como una visin de su relevancia en las plantas
actuales de Ciclo Combinado.
AGRADECIMIENTOS
A Marcial Tielas por su apoyo y paciencia.
Control AnalgicoSupervisin de la TurbinaMonitorizacin de VelocidadMonitorizacin de la VibracinMonitorizacin de TemperaturaMonitorizacin de LlamaContador de OperacionesFigura Equipamiento de Monitorizacin VelocidadMonitorizacin de la Temperatura de CojinetesMonitorizacin de VibracinFig. Monitorizacin de VibracionesControl SecuencialSupervisin y ProteccinTemperaturas de Vapor y CarcasaSupervisin de temperatura de cojinetesSupervisin del Vapor SobrecalentadoSupervisin de VibracionesSupervisin de las expansionesSupervisin de Gradientes de TemperaturaArranque de turbina
![turbinas de vapor[1]](https://static.fdocuments.ec/doc/165x107/5571f1bd49795947648b9e1c/turbinas-de-vapor1.jpg)
