INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL - tesis.ipn.mxtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/10113/1/97.pdf · Por tal motivo en este trabajo se propone un sistema de control secuencial de

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PROPUESTA DE CONTROL DE UNA TURBINA DE GAS DIDÁCTI CA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZAC

IVONNE ELIZABETH GOROSPE RIOS

MÉXICO, D.F. AGOSTO 2011



UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS



DE DOBLE FLECHA

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN

IVONNE ELIZABETH GOROSPE RIOS

KEVIN DAVID JIMÉNEZ REYES

ASESORES DE TESIS

M. en C. RENE TOLENTINO ESLAVA

ING. FRANCISCO JAVIER APARICIO SILVA

MÉXICO, D.F. AGOSTO 2011





M. en C. RENE TOLENTINO ESLAVA

ING. FRANCISCO JAVIER APARICIO SILVA

Agradezco a Dios, el Señor de mi vida por ser paciente conmigo y acompañarme durante

todo este tiempo, porque si él en mi vida nada de esto se hubiera realizado. En él esta la

sabiduría y la verdad. Gracias Jesús por morir por mí en la cruz y regalarme vida eterna.

Gracias a mi familia por todas sus oraciones, ejemplo y apoyo. A mi mamá Carolina por

animarme siempre, motivarme y ayudarme con los recursos para poder estudiar. A mi papá

Ignacio por su comprensión, ánimo, por llevarme a la escuela y su apoyo para realizar

trámites. A mi hermana Betsabé por compartir conmigo el don de inteligencia que Dios le ha

dado, por animarme. A la familia Gorospe Mercado por su apoyo constante y por sus

palabras de aliento.

A Kevin mi compañero de tesis, por su paciencia, dedicación y comprensión durante todo

este proceso. Gracias por aguantarme en mis momentos más desesperantes, gracias por tus

ideas y tu ánimo. Gracias también a la hermana Conny y su esposo por orar por nosotros y

permitirnos trabajar en su casa. Dios le bendiga grandemente.

Gracias al M. en C. René Tolentino Eslava por todo el tiempo que nos dedico al realizar esta

tesis, por su paciencia, guía, por su palabras de aliento y desafíos. Deseo que siga

inspirando e impulsado a otros jóvenes como lo hiso con nosotros. Al Ingeniero Francisco J.

Aparicio por su apoyo y soporte.

A todos mis amigos, a Hugo mi novio porque siempre tenía palabras de apoyo aunque el

panorama no fuera el más agradable, a Perla, Lalo, Baldo, Emmanuel, Gil, Juan y Judith. Por

los Compas Mario, Samuel, Orlando, Edgard, Alf, Elda, Elia, Luis y los hermanos de la iglesia

por sus oraciones y sus palabras de ánimo.

A todos aquellos que oraron y nos ayudaron de alguna manera para llegar a la meta les

agradezco, los quiero.

Ivonne E. Gorospe Ríos.

Agradezco a Dios…todo es por Él y para Él y sin Él nada sería posible.

Agradezco a mis padres Concepción Reyes Tapia y Víctor Manuel Jiménez por sus

esfuerzos y apoyo incondicional, también a mi hermana Karen Jiménez por sus consejos.

Este logro les pertenece a ustedes, los amo.

Agradezco a él M. en C. René Tolentino E. por sus largas horas de asesorías.

Agradezco a mi institución…el IPN.

A todos y cada uno de ustedes les agradezco de todo corazón, porque sin ustedes este logro

no sería posible Dios le bendiga en extremo.

Kevin D. Jiménez Reyes

ÍNDICE

RESUMEN ............................................................................................................................... i

INTRODUCCION .................................................................................................................... ii

OBJETIVO ............................................................................................................................. iii

CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TURBINAS DE GAS ....................................................... iii

1.1 TURBINAS DE GAS ......................................................................................................... 2

1.1.1 COMPRESORES .................................................................................................... 3

1.1.2 CÁMARA DE COMBUSTIÓN .................................................................................. 4

1.1.3 TURBINA ................................................................................................................ 5

1.2 CICLO BRAYTON ............................................................................................................. 7

1.2.1 CICLO ABIERTO .................................................................................................... 8

1.2.2 CICLO CERRADO .................................................................................................. 9

1.3 CONTROL DE TURBINAS DE GAS ............................................................................... 10

1.3.1 CONTROL ANALÓGICO ...................................................................................... 12

1.3.2 CONTROL BINARIO ............................................................................................. 13

CAPÍTULO II TURBINA DE GAS DE DOBLE FLECHA CUSSONS P9005 ........................... 15

2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA TURBINA ................................................................. 16

2.2 ESPECIFICACIONES E INSTALACIÓN DE LA TG ........................................................ 18

2.3 SISTEMAS DE LA TURBINA DE GAS ............................................................................ 19

2.3.1 SISTEMA DE INICIO ............................................................................................ 20

2.3.2 SISTEMA DE IGNICIÓN ....................................................................................... 20

2.3.3 SISTEMA DE CARGA DE LA TURBINA DE POTENCIA ...................................... 21

2.3.4 SISTEMA DE LUBRICACIÓN ............................................................................... 22

2. 4 INSTRUMENTACIÓN DE LA TURBINA DE GAS .......................................................... 23

2.4.1 SISTEMA DE CARGA DE LA TURBINA POTENCIA ............................................ 27

2.4.2 SISTEMA DE LUBRICACIÓN ............................................................................... 30

2.5 OPERACIÓN .................................................................................................................. 30

2.5.1 ARRANQUE O INICIO .......................................................................................... 30

2.5.2 LIMITACIONES DE OPERACIÓN ........................................................................ 32

2.5.3 PARO ................................................................................................................... 32

2.7 DTI ACTUAL DE LA TURBINA DE GAS ......................................................................... 33

2. 8 DIGRAMA DE FLUJO DE PROCESO ........................................................................... 35

CAPITULO III SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN .................................................... 37

3.1 VARIABLES DE CONTROL ............................................................................................ 39

3.1.1 TEMPERATURA. .................................................................................................. 39

3.1.2 FLUJO .................................................................................................................. 41

3.1.3 PRESIÓN.............................................................................................................. 43

3.1.4 VELOCIDAD ......................................................................................................... 44

3.2 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL ................................................................... 45

3.2 OTROS ELEMENTOS .................................................................................................... 49

3.3.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN .............................................................................. 49

3.3.2 BOTÓN PULSADOR ............................................................................................ 50

3.4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE ................................................................. 50

CAPÍTULO IV PROPUESTA DE CONTROL ................................................................. 55

4.1 DIAGRAMA DE TUBERIA E INSTRUMENTACIÓN ........................................................ 56

4.2 ALGORITMOS DE CONTROL ........................................................................................ 58

4.3 PROGRAMACIÓN .......................................................................................................... 61

4.3.1 CONTROL DE PRESIÓN ..................................................................................... 62

4.3.2 CONTROL DE FLUJO .......................................................................................... 63

4.3.3 PARO DE PROTECCIÓN ..................................................................................... 64

4.3.4 E/S EN EL CONTROLADOR ............................................................................... 65

4.4 COSTOS DE LA PROPUESTA ....................................................................................... 67

4.4.1 COSTO DE INSUMOS.......................................................................................... 67

4.4.2 COSTOS DE INGENIERÍA ................................................................................... 69

4.4.4 INVERSIÓN TOTAL .............................................................................................. 70

CONCLUSIONES ................................................................................................................. 72

BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 75

ANEXO ASIMBOLOGÍA Y GRÁFICAS ................................................................................. 77

ANEXO B ESPECIFICACIONES DE INSTRUMENTOS ....................................................... 80

ANEXO CPROGRAMACIÓN Y CONFIGURACIÓN .............................................................. 89

INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

i

RESUMEN

Se desarrolló una propuesta para el control de la secuencia de arranque, paro y paro de

emergencia de la turbina de gas didáctica de doble flecha de la carrera de Ingeniería en

control y automatización en el laboratorio B9 de laboratorio pesado de la ESIME Unidad

Profesional Adolfo López Mateos. Este control efectuara la de forma segura y automática

dichas secuencias, sin que el operador tenga que realizar los pasos indicados en el manual

de la turbina.

Se selecciono la instrumentación adecuada para llevar a cabo el control. Se elaboraron los

diagramas de tuberías e instrumentación, programación del PLC y diagramas a bloques que

en su conjunto permiten la elaboración de la propuesta de control. Esta propuesta se

desarrollo por medio de estrategias de control para regular las variables a controlar para el

arranque, puesta en marcha y paro de la turbina de gas.

Con lo anterior se obtuvo un sistema de control que permite a quien opere la turbina de gas

realizar el uso de ésta de forma segura, para el aprendizaje de estrategias de control y

automatización así como de conocimientos de instrumentación, para una formación con

mayor conocimiento técnico de los usuarios. El resultado de este trabajo beneficiara a los

alumnos de ICA, colaborando con la formación técnica y práctica de los conocimientos

adquiridos en diferentes asignaturas.


ii

INTRODUCCION

En la generación de energía eléctrica se emplean principalmente turbinas de gas y turbinas

de vapor. Las turbinas de gas (TG) han adquirido gran importancia, debido a que son

capaces de desarrollar elevadas potencias con una buena relación tamaño/potencia; por

esta razón otras aplicaciones de las turbinas de gas son en la aeronáutica y en las flotas

navales del mundo occidental.

El control de las turbinas de gas ha sido una de las mejoras que con el paso del tiempo se

han implementado, en arranque y paro de la turbina, control de la velocidad, monitoreo de

vibraciones, etc. Para realizar el control se emplean Controladores Lógicos Programables

(PLC’s), equipos con basta aplicación al control industrial.

Hoy en dia existen turbinas de gas, a las que no se les ha implementado un sistema de

control y son operadas de manera manual, produciendo pérdidas de calor y de energía que

se traducen en pérdidas económicas. Además del riesgo que corren los operadores de éstas

debido a que están expuestos a las temperaturas y presiones con las que trabaja la turbina.

En los Laboratorios Pesados 1 de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Profesional Adolfo López Mateos pertenecientes a la carrera ICA, se cuenta con una

Turbina de Gas de 4 kW de potencia, utilizada con fines didácticos. Dicha turbina cuenta con

un control manual lo que provoca que no se aprovechen al máximo para fines didácticos de

los alumnos de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización.

Por tal motivo en este trabajo se propone un sistema de control secuencial de arranque y

paro de esta Turbina de Gas por medio de un PLC, para que los alumnos de la carrera de

ICA puedan usarla para fines de aprendizaje reduciendo los riesgos que conllevan operar

una Turbina de Gas.


iii

OBJETIVO

Proponer el sistema de control secuencial de arranque y paro de una turbina de gas

mediante un PLC.

CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DE TURBINAS DE GAS

FFUUNNDDAAMMEENNTTOOSS DDEE TTUURRBBIINNAASS DDEE GGAASS

CCaappííttuulloo II


2

1.1 TURBINAS DE GAS

Una turbina de gas es un motor que utiliza el flujo de un gas como flujo de trabajo, para

convertir energía térmica en energía mecánica. Las turbinas de gas (TG) se caracterizan por

presentar una baja relación peso potencia y una velocidad de giro elevada. Las dos

principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la

generación de energía eléctrica.

Cuando se emplean en propulsión de aviones, la turbina de gas produce la potencia

suficiente para accionar el compresor y un generador eléctrico que alimenta el equipo

auxiliar. Los gases de escape a velocidad alta son los que generan el empuje necesario para

mover la aeronave. Las turbinas de gas también se utilizan en centrales estacionarias que

producen energía eléctrica. Las centrales eléctricas de turbina de gas son empleadas por la

industria de generación eléctrica en emergencias y durante periodos picos debido a su bajo

costo y tiempo de respuesta rápido.

Las turbinas de gas también se utilizan con las centrales eléctricas de vapor en el lado de

temperatura alta, formando un ciclo combinado. En estas plantas, los gases de escape de

las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas

también puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en centrales

nucleoeléctricas. Esta vez el fluido de trabajo no se limita al aire, y puede emplearse un gas

con características más convenientes como el helio.

La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental utilizan motores de turbinas de

gas para propulsión y para la regeneración de energía eléctrica. Comparadas con la turbina

de vapor y los sistemas de propulsión diesel, la turbina de gas presenta mayor potencia para

un tamaño y pesos determinados, confiabilidad alta y vida útil larga. El tiempo de arranque

de la turbina de gas ha sido reducido de las 4 horas requeridas de un sistema de propulsión

típico a menos de 2 minutos para una turbina de gas.

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, una

cámara de combustión y una turbina de potencia. Algunos fabricantes de turbinas de gas

son: General Electric Power Systems, Kawasaki Gas Turbines-Americas, Vericor Power

Systems, Solar Turbines, Rolls Royce.


3

1.1.1 COMPRESORES

Los compresores, así como las bombas y los ventiladores, son dispositivos útiles para

aumentar la presión de un fluido. El trabajo es suministrado a estos dispositivos por una

fuente externa mediante un eje rotatorio. Una vez que el gas se comprimió es enviado a la

cámara de combustión. En general existen dos tipos de compresores los centrífugos y los de

flujo axial. A continuación se describe el principio de funcionamiento de cada uno de ellos.

El compresor centrífugo (Fig. 1.1) consiste de una carcasa fija que contiene en su interior un

rodete que al girar imprime una gran velocidad al aire, más una serie de conductos

divergentes fijos en los cuales el aire se desacelera con el consiguiente aumento de la

presión estática. Este último proceso es una difusión y en consecuencia la parte del

compresor que comprende dichos conductos divergentes se le conoce como difusor.

Figura 1.1 Partes de un Compresor Centrífugo.

Las ventajas del compresor centrífugo son que ocupa un espacio menor que el compresor

axial equivalente y que su comportamiento no se ve afectado por la acumulación de

depósitos en las superficies de los canales de aire al trabajar en una atmosfera contaminada

y es capaz de funcionar con un buen rendimiento dentro de un amplio margen de gastos

másicos para cualquier velocidad de giro.

En el compresor de flujo axial (Fig.1.2) se aplica el principio básico de la aceleración del

fluido seguida de una desaceleración o difusión que convierte la energía cinética adquirida

en aumento de presión, esto se consiguen haciendo pasar el fluido a través de una sucesión

de conductos que se van ensanchando, con las consiguientes disminuciones de la velocidad.


4

Este proceso se lleva a cabo en una serie de pasos o escalonamientos. El flujo del gas es

paralelo al eje del compresor y no cambia de sentido como en los compresores centrífugos.

Figura 1.2 Compresor de Flujo Axial.

La carga por etapa del compresor axial es menor (aproximadamente la mitad) que la de un

tipo centrífugo, por ello la mayor parte de estos son de cierto número de etapas en serie.

Cada etapa consta de álabes rotatorios y fijos. En un diseño de reacción de 50%, la mitad

del aumento de la presión ocurre en las aspas del rotor, y el restante en las aspas del

estator.

1.1.2 CÁMARA DE COMBUSTIÓN

La cámara de combustión (Fig. 1.3) es el lugar donde se realiza la combustión. La

combustión es continua y solo requiere una chispa eléctrica para iniciar el proceso, después

de lo cual la llama debe ser autosostenida. Cuanto mayor sea la temperatura de la

combustión mayor será la potencia a desarrollar por la turbina, es por ello que el diseño de

las cámaras de combustión está enfocado a soportar temperaturas superiores a los 1 000 ºC,

mediante recubrimientos cerámicos, y a su vez evitar que el calor producido dañe otras

partes de la turbina que no están diseñadas para soportar temperaturas altas. A menudo se

divide al aire que sale del compresor en una serie de corrientes, cada una de las cuales

alimenta a una cámara de combustión tubular. Estas cámaras se hallan espaciadas

alrededor del eje que une al compresor y la turbina.


5

Figura 1.3 Cámara de Combustión de gas Industrial.

Algunos combustibles líquidos empleados en las cámaras de combustión son: JP-5,

Keroseno, Diesel No.1, Aceite Combustible Grado 1 y 2, Diesel #.2. Una alternativa es el uso

de combustibles de temperatura alta y viscosidad baja por ejemplo: Gas Natural Líquido, Gas

Licuado de Petróleo, Gasolina, Nafta.

1.1.3 TURBINA

La turbina es un motor basado en la rotación de una rueda con álabes curvados, colocados

en su periferia que recibe el impacto de una corriente de vapor, gas o agua (Fig. 1.4). En las

turbinas de gas el fluido es el gas proveniente de la cámara de combustión y está diseñada

para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía

cinética en energía mecánica de rotación.

Al igual que en el caso del compresor, hay dos tipos de turbinas, la de flujo radial y la de flujo

axial. La turbina radial es de aspecto semejante al del compresor centrífugo, pero con el flujo

dirigido hacia adentro y álabes de tobera en vez de álabes de difusor. Aunque en tamaños

pequeños su uso está muy extendido en la industria criogénica dado que no resulta tan apta

para trabajar con temperaturas altas. Además, para todas las potencias a excepción de las

más bajas, la turbina axial posee un mejor rendimiento. La turbina radial se ha utilizado en

algunas turbinas de gas pequeñas, en las que el tamaño es más importante que el

comportamiento, pues cuando va junto a un compresor centrífugo se obtiene un rotor muy

corto y rígido.


6

Figura 1.4 Turbina de Gas.

Existen diferentes variantes de la estructura clásica de una turbina de gas (compresor,

cámara de combustión y turbina de potencia), y son consecuencia de la adición de varios

componentes de entrada y salida al generador de gas. En las aplicaciones industriales donde

se requiere obtener potencia se tienen dos tipos de disposiciones mecánicas:

� Turbinas de un solo eje.

� Turbinas de doble eje o eje partido.

Las turbinas de un solo eje consisten en un compresor y una turbina, que giran a la misma

velocidad por medio del eje de obtención de potencia mecánica, dónde está conectada la

carga. Este tipo de disposición mantiene fácilmente la frecuencia de giro. En la figura 1.5 se

muestra el esquema de este tipo de turbina.


7

Figura 1.5 Turbina de un solo eje.

Las turbinas de doble eje (Fig. 1.6) son turbinas de gas en las que se distinguen dentro de la

misma turbina, dos unidades, la generadora de gas que se forma con un compresor, la

cámara de combustión y una turbina que extrae la potencia necesaria para mover el

compresor. La otra unidad es la de potencia, formada por otra turbina de expansión que

finaliza el proceso de los gases obteniendo la potencia útil. Esta estructura es adecuada para

el accionamiento directo de maquinaria.

1.2 CICLO BRAYTON

Las turbinas de gas en ciclo abierto o cerrado operan con base en el principio del ciclo de

potencia Brayton también llamado de Joule, en donde el aire comprimido es mezclado con el

combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por

la combustión se expande a través de la turbina y la hace girar para realizar trabajo. En una

turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se

usa comprimiendo el aire, el otro 1/3 está disponible para generar electricidad; impulsar un

dispositivo mecánico.


8

Figura 1.6 Turbina de doble eje.

1.2.1 CICLO ABIERTO

El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir la energía en forma de calor en

trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. A

continuación se muestra el ciclo Brayton en su modalidad de ciclo abierto (Fig. 1.7).

Figura 1.7 Ciclo Abierto de una Turbina de Gas.

Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura 1.7. Aire

fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y

presión se elevan. El aire a presión alta sigue hacia la cámara de combustión donde se

mezcla con el combustible y se quema a presión constante. Luego los gases de temperatura

alta que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal


9

forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan

hacia la atmósfera lo que provoca que el ciclo sea abierto.

Los diagramas de propiedades P-v (Presión-Volumen) y T-s (Temperatura-Entropía) que se

muestran en la Figura 1.8 se emplean para el análisis de los procesos termodinámicos.

Tanto en los diagramas P-v como en los T-s, el área encerrada en las curvas del proceso de

un ciclo representa el trabajo neto producido durante el ciclo, lo cual es equivalente a la

transferencia de calor neta del ciclo.

Figura 1.8 Diagramas de Presion-Volumen y Temperatu ra-Entropia del Ciclo Joule- Brayton.

En estos diagramas se pueden observar los procesos y estados del ciclo Brayton donde, de

1-2 en el compresor se tiene una compresión adiabática (aislada térmicamente) del aire y

mientras sucede esto la entropía permanece constante y el volumen disminuye. Después a la

salida del compresor y a la entrada de la cámara de combustión (2-3) comienza la aportación

de calor a presión constante (aumento de temperatura) y se da lugar a la combustión de la

mezcla de aire y combustible. Por último en la turbina (3-4) tiene lugar la expansión

adiabática de los gases produciendo potencia.

1.2.2 CICLO CERRADO

El ciclo Brayton en su modalidad de ciclo cerrado (Fig. 1.9) es el siguiente:


10

Figura 1.9 Ciclo Cerrado de una Turbina de gas.

Este ciclo está integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2 compresión

isentrópica (en el compresor), 2-3 Adición de calor a presión constante, 3-4 Expansión

isentrópica (en la turbina), 4-1 Rechazo de calor a presión constante.

En este ciclo los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso

de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una

fuente externa (fluido auxiliar) en la cámara de combustión. En el proceso de escape no hay

descarga hacia la superficie sino que los gases son redirigidos para ser enfriados antes de

vuelvan a entrar al compresor.

1.3 CONTROL DE TURBINAS DE GAS

La incorporación de nuevas tecnologías en el control ha 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 el control 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.


11

La posibilidad de realizar un análisis más eficaz de las señales y la correlación con efectos

mecánicos es una ventaja adicional de las técnicas modernas de sistemas de información.

Las turbinas de gas modernas han supuesto un gran reto tecnológico desde el punto de

vista de la ciencia de los materiales y de los procesos termodinámicos. Por ello, la

supervisión y el control electrónico se han convertido en una herramienta fundamental para

garantizar el funcionamiento óptimo de los equipos.

Básicamente, el sistema de control ejecuta las secuencias de arranque y paro, el control de

velocidad, potencia, temperatura y las funciones de protección (en la Fig.1.10 se muestra un

ejemplo de una HMI - Interfaz Hombre-Máquina- de una turbina de gas). Las secuencias de

arranque y paro consisten de una serie compleja de eventos en donde cada paso debe ser

completado satisfactoriamente antes de que inicie el siguiente. Los algoritmos de control de

velocidad deben ser completados en poco tiempo porque la planta tiene una respuesta muy

rápida a los cambios en sus entradas. El control de la potencia generada es afectado

grandemente por la operación cerca de los límites de temperatura y presión. El control de

temperatura es crítico para la conservación de la vida útil y el desempeño global del proceso.

Las protecciones requieren numerosas verificaciones de seguridad para eliminar cualquier

riesgo de desastre.

De todas las etapas de operación, el arranque puede ser considerado la parte más crítica.

En primer lugar porque, vista desde una perspectiva económica, durante el arranque

solamente hay pérdidas; todo el combustible es quemado sin producir trabajo de salida. En

segundo lugar porque los esfuerzos térmicos y mecánicos en el arranque reducen la vida útil

de la unidad haciéndola susceptible a daños físicos.

Figura 1.10 Ejemplo de HMI para el control de una T urbina de Gas.


12

1.3.1 CONTROL ANALÓGICO

Las tareas que desarrolla el control analógico (Fig. 1.11) son el controlar de modo continuo

las variables de proceso de acuerdo a las consignas en uso. Esta tarea debe de ser

realizada durante el arranque y el paro además de la operación en carga o durante las

variaciones de carga, en las cuales las limitaciones estáticas y dinámicas son efectivas. Las

limitaciones estáticas vienen limitadas por las cargas permisibles y las dinámicas, por los

márgenes de temperatura. El control analógico de la turbina se compone de los siguientes

lazos fundamentalmente:

� Control de arranque y paro.

� Control de frecuencia y carga.

� Control de temperatura para la turbina trabajo y potencia.

� Control de posición de los álabes de distribución.

Figura 1.11 Tareas que Desarrolla el control analóg ico.

El lazo de control de arranque controla hasta que el grupo ha llegado a la velocidad nominal.

En ésta se asegura la relación aire/combustible, de manera que los gases de escape no

excedan los límites permisibles a la máxima aceleración. La sincronización se realiza

mediante un dispositivo autónomo que adapta la velocidad de la turbina para engancharse a

la frecuencia de red. Cuando esta frecuencia es la apropiada de la red, los parámetros de


13

frecuencia, ángulo de fase y tensión eléctrica son adaptados a la red. Se permite una banda

de regulación como factor de fluctuación de frecuencia para los cambios de carga.

El controlador de frecuencia/carga deduce la consigna de carga mediante el factor de

fluctuación y de la consigna de potencia activa. Las cámaras de combustión de la turbina

disponen de una serie de actuadores que regularán la carga mediante la inyección del

combustible adecuado para la turbina de presión alta y de presión baja, así como los álabes

de distribución. Se calcula una consigna de carga para cada actuador y entonces es usada

por los controladores de temperatura de la turbina de presión alta y presión baja, así como la

de presión de descarga del compresor. Con todas estas variables, junto con las medidas de

temperatura y presión se mantiene la operación.

1.3.2 CONTROL BINARIO

El control binario en la actualidad es completamente automatizado, donde los distintos

sistemas auxiliares de la turbina van siendo conmutados para arranque o paro de modo

secuencial. No hay intervención del operador, excepto para la selección del combustible y de

la carga. Su función fundamental es controlar, proteger y monitorear todos los actuadores,

los cuales tienen la función abierto/cerrado (on/off). El control ha de tener una estructura

jerárquica (Fig. 1.12), donde el nivel más bajo es el de accionamiento.

Figura.1.12 Ejemplo de una estructura Jerárquica de l Control Binario.


14

El siguiente nivel es el de grupo, donde se realizan funciones simples de automatización,

como el arranque de los accionamientos de respaldo automático en caso de perturbaciones,

así como las tareas de preselección en función de diferentes criterios. Por encima está el

grupo funcional, donde se controlan las tareas entre los accionamientos principales con los

auxiliares. La turbina se divide en los siguientes grupos funcionales:

� Aceite de lubrificación.

� Gas combustible.

� Dispositivos de arranque.

� Excitación.

� Sincronización.

� Recierre.

� Purgado.

� Contraincendios.

� Ventilación de la carcasa.

CAPÍTULO II TURBINA DE GAS DE

CAPÍTULO II TURBINA DE GAS DE DOBLE FLECHA CUSSONS P9005

TTUURRBBIINNAA DDEE GGAASS DDEE DDOOBBLLEE FFLLEECCHHAA

CCUUSSSSOONNSS PP99000055

CCaappííttuulloo IIII


16

2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA TURBINA

La unidad de la Turbina de Gas (TG) de dos ejes P9005 de la marca Cussons Ltd está

construida con un sistema de entrada de aire y una unidad de carga eléctrica. Es un equipo

independiente que cuenta con un generador de gas (compresor, eje y turbina de trabajo),

turbina de potencia, unidad de carga, instrumentación y un control manual, todo esto

montado en un modulo. Además la TG cuenta con un panel frontal (Fig. 2.1) dotado con las

válvulas y los indicadores para manipular y medir las variables del proceso.

El panel frontal de la TG muestra la secuencia del proceso. El proceso de la turbina

comienza energizando el soplador, el aire es direccionado por medio de una válvula de

dos posiciones accionada desde el panel frontal. En la posición de “Start” el aire sigue una

trayectoria desde el soplador hasta la cámara de combustión a través del eje común del

compresor y la turbina de trabajo. En este punto se inicia el suministro del gas que servirá de

combustible para la ignición en la cámara de combustión, para llegar a ese punto

previamente se regula la presión y el flujo del gas por medio de la válvula reductora y de la

válvula de gas las dos manipuladas manualmente.

La combustión en la cámara de combustión se inicia con una chispa dentro ésta. Los gases

de la cámara de combustión mueven la turbina de trabajo, cuando el indicador de velocidad

de la turbina de trabajo alcanzan las 1000 RPS, se cambia la posición de la válvula de aire a

la posición “Run” direccionado así el aire del soplador hacia el silenciador, permitiendo que el

compresor comience a trabajar y llevando al sistema de inicio a un estado estable. Los gases

después de pasar por la turbina de trabajo se direccionan a la turbina de potencia que tiene

acoplado un generador eléctrico. Por último los gases de la turbina de potencia se

descargan a la atmósfera a través de la chimenea.


17

Figura 2.1 Panel de control e instrumentación.

En la figura 2.2 se observan los elementos de la turbina de gas Cussons P9005 y se

identifican cada uno de ellos en:

A) Silenciador de aire de admisión

B) Compresor

C) Cámara de combustión

D) Turbina de trabajo

E) Turbina de potencia

F) Silenciador de gases de combustión

G) Soplador

H) Dinamómetro o generador

I) Tanque de aceite

J) Bomba de aceite/combustible

K) Sistema de enfriamiento

L) Entrada eléctrica

M) Protección de temperatura

Figura 2.2 Parte trasera del módulo de la TG.


18

2.2 ESPECIFICACIONES E INSTALACIÓN DE LA TG

La unidad de la TG modelo P9005 es adecuada para usarse en ambientes con temperaturas

de 40 °C y humedad relativa de 80%. La turbina de p otencia tiene un diámetro de 90 mm,

opera en un intervalo de 170 RPS (revoluciones por segundo) a 600 RPS desarrollando una

potencia máxima aproximada de 4 kW.

El generador de gas consiste en un compresor centrífugo conectado mediante un eje a una

turbina radial. El impulsor del compresor tiene una succión de 72 mm mientras que la turbina

radial tiene una succión de 16 cm2 y una punta de 70 mm de diámetro. El generador de gas

opera con una relación de presión aproximada de 2:1 y un intervalo de velocidad de 500

RPS a 2000 RPS.

La excitación se controla manualmente con el alternador trifásico, alimenta a un circuito de

puente rectificador de tres fases dando una salida de corriente directa variable de hasta 75 V

y de 35 A aproximadamente. Los servicios requeridos para el funcionamiento de la turbina

son:

a) Ducto de escape para que los productos del escape de la turbina puedan ser

extraídos.

b) Suministro de agua para el enfriamiento del sistema de lubricación.

c) Drenaje para el agua de enfriamiento del sistema de lubricación.

d) Alimentación monofásica de energía eléctrica.

e) Suministro de gas LP.

Cuando se requiere tener la unidad en condiciones de servicio debe de encontrarse en un

lugar donde los suministros eléctricos, de combustible y agua, así como el ducto de escape

sean los adecuados para su operación (Fig. 2.3).

Alimentación Eléctrica . Para una operación normal se requiere una alimentación de

corriente alterna monofásica de aproximadamente 3.5 kVA . El motor del soplador, usado en

el arranque, toma inicialmente corrientes de arranque altas por lo que los fusibles deben ser

adecuados para esta condición de arranque. También es necesaria una conexión a tierra.

Suministro de combustible. El combustible que utiliza es gas propano (C3H8). Se pueden

emplear recipientes portátiles de 11 kg (24 libras) para periodos de operación cortos, para un


19

uso normal se recomiendan recipientes portátiles de 45 kg (100 libras). El consumo a plena

carga es de aproximadamente 7 kg/h (15 lb/h) y sin carga 2 kg/h (5 lb/h).

Chimenea

Alimentación eléctrica

Suministro de combustible Entrada y salida de agu a de enfriamient o

Figura 2.3 Servicios requeridos por la turbina.

Agua de alimentación . Se tiene un intercambiador de calor aceite-agua, el circuito del

aceite y del agua de enfriamiento debe ir conectada a la válvula solenoide. La salida de agua

de enfriamiento debe conectarse al drenaje. El suministro de agua es mediante una

manguera flexible de 9 mm (3/8”) y con un flujo mínimo de 10 LPM.

Disposiciones de escape . Se requiere un ducto que lleve los gases de escape fuera del

lugar donde se tiene la turbina. Se debe tener al inicio del ducto de escape una entrada

cónica.

2.3 SISTEMAS DE LA TURBINA DE GAS

El proceso de operación de la turbina está formado por varios sistemas que se encargan de

acciones específicas. Cada sistema tiene un procedimiento determinado que emplea los

diferentes equipos que conforman la turbina.


20

2.3.1 SISTEMA DE INICIO

El sistema está integrado por los siguientes elementos; Soplador centrífugo (Fig. 2.4), válvula

de 3 vías y el silenciador (Fig. 2.4).

Figura 2.4 Soplador y Silenciador.

La función de este sistema consiste en inyectar aire desde el soplador centrífugo hacía la

cámara de combustión para poner en marcha al generador de gas. Para este objetivo se

usan dos válvulas de mariposa, agrupadas y operadas por un control de posición Start-Run

desde el panel frontal. Para el sistema de inicio solo es necesaria la posición Start en donde

se cierra el paso del aire a la entrada del silenciador y se direcciona el aire del soplador a la

cámara de combustión. El soplador es usado a lo largo de la secuencia de inicio hasta que

la velocidad autosostenible es alcanzada. También se utiliza para obtener refrigeración

después del apagado con el fin de reducir el tiempo de enfriamiento.

2.3.2 SISTEMA DE IGNICIÓN

El sistema de ignición es utilizado para proveer una chispa continua entre los electrodos de

una bujía, que junto con el aire proveniente del soplador y el gas usado como combustible

generan la combustión. El sistema está situado de forma que los electrodos estén justo

dentro del tubo de flama de la cámara de combustión en el borde de la zona de combustión

primaria (Fig. 2.5).


21

Figura 2.5 Ubicación Sistema de Ignición.

2.3.3 SISTEMA DE CARGA DE LA TURBINA DE POTENCIA

Este sistema consiste en la turbina de potencia acoplada a un alternador trifásico por medio

de una correa dentada con una reducción de velocidad de 4 ½ a 1. El alternador tiene

incorporado internamente un puente rectificador de tres fases el cual proporciona una salida

de 75 V. La tensión de la correa dentada de conducción es automáticamente controlada por

el cilindro hidráulico (Fig. 2.6) que a su vez es alimentado por el sistema de lubricación de

aceite (Fig. 2.7). La salida de corriente directa del circuito rectificador es resistivamente

cargada (imponiendo así una carga en el alternador y en el accionamiento de la turbina). La

excitación de la tensión eléctrica aplicada a los campos de las bobinas del alternador ajusta

la salida de la tensión del mismo, causando que la potencia necesaria para cargar el

alternador (así como la turbina) logre ser variable fácilmente dentro de los requerimientos del

intervalo de operación.


22

Figura 2.6 Correa dentada, cilindro hidráulico y ge nerador de corriente eléctrica.

2.3.4 SISTEMA DE LUBRICACIÓN

El generador de gas, la turbina, compresor y los rodamientos de la turbina de potencia son

lubricados mediante un sistema de lubricación de circulación continua (Fig. 2.7). El sistema

contiene un tanque de aceite, una bomba de engranes, un filtro de aceite y un enfriador de

aceite controlado termostáticamente con agua fría.

La bomba extrae el aceite del tanque y lo pasa por el filtro de aceite y el enfriador,

directamente de los cojinetes el flujo fluye a las tuberías de desagüe donde se reconducen

hacia el tanque de aceite. Una cantidad de aceite se purga de los conductos principales de

presión y es llevado a través del restrictor de flujo para proveer una pequeña presión a la

correa de sujeción del cilindro hidráulico, este suministro es regulado por una válvula de

alivio y es protegido por un interruptor de presión de aceite para desernegizar la turbina de

gas en caso de poca presión de aceite.

El lubricante recomendado es Castrol Deusol CRH 10 un aceite mineral monogrado el cual

tiene una viscosidad baja, con un aditivo antioxidante. La presión normal de operación del

sistema de lubricación es de 4 bar a 5 bar para un arranque en frío, bajando la presión hasta

2 bar cuando la temperatura de trabajo del tanque de aceite se eleve. El enfriador de aceite

asegura que la temperatura del aceite de alimentación se reduzca hasta el blasón a 40° C o

menos.


23

Figura 2.7 Sistema de Lubricación.

El sistema de lubricación funciona de manera paralela con los otros sistemas y provee un

impulso al cilindro hidráulico conectado a la correa dentada del generador que a la par de

los gases provenientes de la turbina de potencia ponen en marcha al generador alcanzando

así el objetivo de funcionamiento de la TG.

2. 4 INSTRUMENTACIÓN DE LA TURBINA DE GAS

Cada uno de los sistemas que forman la TG se compone de diferentes instrumentos como

sensores, indicadores y actuadores que tienen relación con las variables proceso.

De acuerdo a la función del sistema de inicio son necesarios sensores de temperatura,

presión y flujo, así como válvulas que regulen y direccionen los fluidos del sistema. En las

tablas se muestran los instrumentos requeridos para la medición y/o manipulación de las

variables del sistema.


24

Tabla 2.1 Sensores del sistema de inicio.

VARIABLE DE PROCESO SENSOR INTERVALO DE

MEDICIÓN

Presión del tanque de gas Tubo Bourdon 0 bar - 16 bar

Temperatura del aire de entrada (T1) Termistor 0 °C – 160 °C

Temperatura de la salida del compresor (T2)

Termistor 0 °C – 160 °C

Temperatura del combustible de entrada (Tg)

Termistor 0 °C – 160 °C

Flujo del aire de entrada Tubo Annubar 0 mm H2O– 200 mm H2O

Flujo de combustible Rotámetro 0.4 g/s – 3.3 g/s

Tabla 2.2 Válvulas del sistema de inicio.

VÁLVULA TIPO FUNCIÓN

Válvula “Start-Run” Mariposa de dos posiciones Direcciona el aire de

entrada

Válvula “Reset” De paso Permite el paso del gas proveniente de la botella de gas

Válvula Reductora Reductora Regula el flujo y presión de gas de entrada

Válvula de gas De paso Permite el paso del gas a la cámara de Combustión.

Tubos Bourdon

Los tubos Bourdon son usados para medir todas las presiones excepto la caída de presión

en la cámara de combustión (P2-P3), esta diferencia de presiones es obtenida mediante un


manómetro de mercurio. En la figura siguiente se observan los dos medidores de presión

montados en el panel de la TG:

Figura 2.8 Indicador del Tubo Bourdon y Manómetro de

Termopares y Termistores

Las temperaturas bajas (T1

usando sensores de diodo conectados a un solo circuito de medición lo que permite que al

pulsar uno de los tres botones de T

temperatura correspondiente.

termopares tipo K (Fig.2.9) conectados a un indicador del panel frontal (Fig. 2.1). El

indicador muestra la medición de la temperatura T

temperatura T4 o T5 es necesario pulsar el botón correspondiente a cada temperatura. La

temperatura global del aceite de lubricación también es medida por un termopar tipo K

(NiCr/NiAl) mostrada en un indicador en el panel fronta

Figura 2.9 Termopares y Termistores de la TG.

Tubos Pitot

El flujo de aire es medido en la entrada del compresor del generador de gas por un tubo

annubar conectado a un manómetro diferencial al frente del panel (Fig 2.10).



montados en el panel de la TG:

Indicador del Tubo Bourdon y Manómetro de Presión.

1, T2 y Tg) cercanas a la temperatura ambiente son medidas


pulsar uno de los tres botones de T1, T2 o Tg ubicados en el panel frontal se muestre la

temperatura correspondiente. Las temperaturas altas (T3, T4 y T5) son medidas por


indicador muestra la medición de la temperatura T3, si se desea observar la medición de la

es necesario pulsar el botón correspondiente a cada temperatura. La


(NiCr/NiAl) mostrada en un indicador en el panel frontal.

Figura 2.9 Termopares y Termistores de la TG.


conectado a un manómetro diferencial al frente del panel (Fig 2.10).

25


) cercanas a la temperatura ambiente son medidas


ontal se muestre la

) son medidas por


servar la medición de la

es necesario pulsar el botón correspondiente a cada temperatura. La



conectado a un manómetro diferencial al frente del panel (Fig 2.10).


26

Figura 2.10 Manómetro diferencial indicador del air e de entrada y Rotámetro.

El Flujo másico del aire está dado por:

� � �√∆� �/

Dónde:

k= Constante de calibración (determinada por Cussons y grabado en la unidad)

∆h = Presión diferencial, en mm H2O.

Un tubo cónico y un rotámetro de área variable, son usados para medir el flujo del

combustible (Fig 2.11). Las lecturas deben ser corregidas por temperaturas usando la gráfica

en el anexo A.Dado que en este sistema tiene lugar la combustión es necesaria la medición

de presiones y temperaturas. En la tabla 2.3 se presentan los instrumentos usados para

medir estas variables.

Figura 2.11 Tubo annubar ubicado a la entrada del c ompresor.


27

Tabla 2.3 Instrumentación del sistema de ignición.

VARIABLE DE PROCESO SENSOR INTERVALO DE MEDICIÓN

Presión en la entrada de la cámara de combustión (P2)

Tubo Bourdon 0 bar – 4 bar

Presión en la cámara de combustión (P3)

Tubo Bourdon 0 bar – 2 bar

Pérdida de presión en la cámara de combustión. (P2 es la presión de salida del compresor P2 – P3).

Manómetro diferencial de Mercurio

0 cm Hg – 10 cm Hg

Temperatura de entrada de la turbina generadora de Gas. (T3).

Termopar tipo K 0 °C – 1000 °C

2.4.1 SISTEMA DE CARGA DE LA TURBINA POTENCIA

Con base en la función del sistema de carga de la turbina de potencia se requiere monitorear

las presiones y temperaturas de entrada de la turbina de potencia, así como su velocidad y

presión de los gases de escape. También es necesario monitorear la velocidad en el

generador de gas. Por último medir el resultado del ciclo de la TG que se ve reflejado en la

corriente y tensión eléctrica del alternador. En la tabla 2.4 se presentan los instrumentos que

integran éste sistema.

Tacómetros

La velocidad del generador de gas y la velocidad de la turbina de potencia libre son medidas

usando tacómetros de lectura directa (Fig. 2.12). La señal para el generador de gas es

provista por un inductor que recoge la medición de la tuerca magnética en el ojo del

compresor, mientras la velocidad de la turbina de potencia es obtenida midiendo la tensión

eléctrica de salida de corriente alterna del alternador.


28

Tabla 2.4 Instrumentación del sistema de carga de l a turbina de potencia.

VARIABLE DE PROCESO SENSOR INTERVALO DE MEDICIÓN

Presión de entrada de la turbina de totencia (p4).

Tubo Bourdon 0 bar – 0.4 bar

Temperatura de entrada en la turbina de potencia. (T4).


Temperatura en el escape de la turbina de Potencia. (T5)


Velocidad del Generador de gas. Tacómetro electrónico

0 RPS - 2000 RPS

Velocidad de la Turbina de Potencia. Tacómetro electrónico

0 RPS - 800 RPS

Corriente en el alternador Ampermétro 0 A – 50 A

Tensión eléctrica en el alternador. Voltmétro de CD 0 V -100 V

Potencia de Salida

La salida de la turbina de potencia puede ser calculada desde la tensión eléctrica de CD

(corriente directa) aplicada y la corriente que fluye por el banco de carga resistiva, junto con

la curva de la gráfica (mostrada en el anexo A) que da la relación entre la potencia de CD

medida y la rectificación de la eficiencia del circuito. Un ampermétro de corriente continúa

con un intervalo de medida de 0 A - 50 A (Fig. 2.13) mide la corriente en el generador

mientras que para la tensión eléctrica se requiere un voltmétro de corriente continúa con un

intervalo de 0 V – 100 V. (Fig. 2.13).


a)

Figura 2. 12 Tacómetros de lectura directa

Figura 2.13 Ampermétro y Voltmétro de la TG.


a) b)

Tacómetros de lectura directa . a) Velocidad del Generador de gas y b) Velocidad de la turbina

de potencia.

Figura 2.13 Ampermétro y Voltmétro de la TG.

Amper

Voltmétro

29

. a) Velocidad del Generador de gas y b) Velocidad de la turbina

Amper métro

Voltmétro


30

2.4.2 SISTEMA DE LUBRICACIÓN

Con base a la función de este sistema, es fundamental medir la temperatura y la presión del aceite

así como regular su flujo. Por tal motivo se utilizan los instrumentos mostrados en la tabla 2.5

Tabla 2.5 Instrumentación del sistema de lubricació n.

VARIABLE DE PROCESO

SENSOR INTERVALO

Presión del aceite Tubo Bourdon 0 bar – 10 bar

Temperatura del aceite Termopar tipo K 0 – 40/120 °C

VÁLVULA TIPO FUNCIÓN

Válvula De alivio Regula la presión del aceite.

2.5 OPERACIÓN

La unidad de turbina de gas Cussons incorpora un generador de gas impulsando una turbina

de potencia que a su vez impulsa un generador eléctrico. El generador de gas consiste en un

compresor centrífugo, una cámara de combustión tubular de gas de llenado individual y una

turbina radial. La turbina de potencia libre es también de tipo radial con una transmisión de

para el alternador. La unidad está diseñada para hacer un análisis de las características del

funcionamiento de la turbina de trabajo, la turbina de potencia y la cámara de combustión

utilizando la instrumentación del panel frontal. La operación dentro de un intervalo amplio de

velocidad y carga es posible juntando la facilidad de variar la razón de velocidad entre el

generador de gas y la turbina de potencia, mediante el control de la razón de velocidad del

generador de gas y la turbina de potencia para un valor constante.

2.5.1 ARRANQUE O INICIO

La secuencia de arranque recomendada por el fabricante es la siguiente;


31

1. Conectar el suministro de agua fría al drenaje.

2. Conectar el recipiente portátil de gas.

3. Conectar el suministro eléctrico.

4. Ajustar la entrada de control de aire en la posición de Start.

5. Cerrar la válvula de gas desde el panel frontal y abrir la válvula del recipiente portátil

de gas.

6. Ajustar el dinamómetro de excitación al máximo.

7. Energizar la bomba de aceite del sistema de lubricación.

8. Presionar le botón de Reset.

9. Energizar el soplador.

10. Ajustar la presión del gas a 2 bar con la válvula de reducción.

11. Presionar el botón de ignición y mantenerlo presionado mientras la válvula de

operación de gas permite un flujo de 0.5 g/s.

12. Si la ignición, mostrada por el incremento de T3, no ocurre dentro de 5 segundos

desde el comienzo del flujo de gas, cierre la válvula de gas para dejar pasar los gases

no quemados y limpiar el sistema antes de regresar con el paso 11.

13. Suelte el botón de ignición.

14. Abra la válvula de gas suavemente para conceder al generador de gas una velocidad

de 1000 RPS teniendo cuidado de mantener la temperatura de la cámara de

combustión por debajo de 900 °C (esta operación toma algunos minutos dependiendo

de la temperatura del aceite).

15. Cambie la entrada de control de aire a la posición de Run.

16. Apague el soplador.

17. Permita que la turbina funcione a 1000 RPS hasta que la temperatura del aceite

alcance los 40 °C.

Cuando la ignición ocurre, se escucha un sonido característico dando lugar a un aumento en

la temperatura de la cámara de combustión (T3). Si la válvula de gas se abre muy rápido T3

se incrementa por arriba de los 950 °C y la protección co ntra temperaturas altas detendrá el

sistema. Si esto ocurre, se debe cerrar la válvula de gas, presionar el botón de reset y

reiniciar el encendido. La temperatura T3 debe mantenerse por debajo de los 830 °C por

medio de una apertura lenta de la válvula de gas al tiempo que la velocidad de la turbina se

incrementa.


32

Inicialmente el ritmo de velocidad de aumento debe de ser lento debido a la viscosidad de la

lubricación en frío del aceite, pero en la medida que la temperatura del aceite incrementa el

ritmo de la velocidad de aumento se incrementará. Cuando la velocidad del generador

alcance las 1000 RPS, se debe mantener la válvula de gas en esa posición y debe

cambiarse el interruptor de la entrada de control de aire a la posición de “run” y apagar el

soplador. Se debe permitir que el sistema opere arriba de 1000 RPS. Las lecturas se hacen

presentes hasta que la temperatura del aceite se estabilice en las condiciones de operación

seleccionadas.

2.5.2 LIMITACIONES DE OPERACIÓN

1. Durante el programa de pruebas los siguientes límites no deben excederse:

� Velocidad del generador de gas 2000 RPS.

� Velocidad de la turbina de potencia 600 RPS.

� Temperatura de entrada de la turbina del generador de gas 900 °C.

2. Ajuste la presión del gas de 1.5 bar antes de hacer las lecturas del combustible.

3. La unidad de turbina de gas tienen ciertas características internas de seguridad. Si la

temperatura de la cámara de combustión T3 excede de los 950 °C debido a un exceso

de combustible o por que la presión del aceite está por debajo de 1.5 bar, la válvula

solenoide cortará el suministro de gas y se tendrá que seguir las instrucciones del

paso 4 al 17 de la secuencia de arranque.

Cuando varía la carga en la turbina de potencia, se deben evitar movimientos grandes y

repentinos del dinamómetro de control de excitación de manera que las cargas transitorias

en la banda se eviten. Esto es conveniente cuando se tiene un conjunto de lecturas para

establecer el flujo de combustible en el nivel deseado, ajustado por la válvula de control de

combustible, y luego (si se requiere) regular la válvula reductora para darle al suministro de

combustible una presión de 1.5 bar.

2.5.3 PARO

La secuencia de paro recomendada por el fabricante es la siguiente:


33

1. Cerrar la válvula del recipiente portátil de gas.

2. Cerrar la válvula de gas.

3. Una vez que las turbinas estén apagadas reajuste la entrada de control de aire a la

posición de inicio.

4. Arrancar el soplador.

5. Anular el termostato de la temperatura de aceite con el interruptor del termostato en

la caja de bornes.

6. Cuando T4 ha descendido por debajo de los 80 °C y la temperatur a del aceite por

debajo de los 30 °C:

i) Apagar el soplador.

ii) Apagar la bomba de aceite.

iii) Desconectar el suministro de gas.

iv) Cerrar el suministro de agua.

v) Apagar y desconectar el suministro eléctrico.

Cuando la turbina ha sido apagada y el sistema está siendo enfriado por el soplador, es

esencial anular la temperatura del aceite del termostato para asegurarse que la lubricación

del aceite esté frían aunque el solenoide esté apagado.

2.7 DTI ACTUAL DE LA TURBINA DE GAS

El diagrama de tubería e instrumentación (Fig. 2.15) presenta gráficamente el estado actual

de la turbina, mostrando la estructura de la TG, los elementos, instrumentos y equipos que

la conforman, así como la ubicación de cada uno de ellos y la conexión entre ellos. Como se

observa en el DTI el suministro de gas se manipula manualmente mediante una válvula de

paso. Un indicador de presión muestra la presión de gas a la entrada de la TG, a

continuación se tiene una válvula manipulada manualmente a través de un contacto activado

por el operador que permite el paso del gas.

Una válvula reductora permite ajustar la presión a la entrada de la cámara de combustión,

para hacer el ajuste correcto de la válvula se tiene un indicador de presión, también se mide

e indica la temperatura del gas a la entrada de la cámara de combustión. La válvula ubicada

en la entrada de la cámara regula el flujo del gas manualmente, la regulación se hace con

base a la lectura que brinda el indicador de flujo (rotámetro) localizado antes de la válvula.


34

Figura 2.15 DTI actual de la Turbina de Gas.

En la cámara de combustión se localiza un contacto para generar la ignición, dicho contacto

es energizado manualmente. También se indica la presión en la cámara de combustión y la

presión diferencial entre la presión en la cámara y la presión del aire proveniente del


35

compresor. La temperatura dentro de la cámara de combustión se mide y se indica con el

propósito de asegurarse de que la ignición se lleva a cabo.

El soplador es energizado manualmente y una válvula de mariposa direcciona el aire, la

posición de dicha válvula es controlada manualmente. Se tiene un indicador de temperatura

del aire y el flujo de este se mide con medidor de presión diferencial (Tubo annubar).

Los gases obtenidos de la combustión en la cámara se dirigen mediante una tubería a la

turbina de trabajo permitiendo su operación. Como se muestra en el diagrama el compresor y

la turbina de trabajo están unidos por un eje, se tiene un medidor e indicador de velocidad

que muestra la velocidad del compresor y de la turbina de trabajo. Mediante una tubería los

gases de la turbina de trabajo se dirigen a la turbina de potencia para que esta comience a

operar, a la salida de la turbina de trabajo se mide e indica la temperatura y presión de

dichos gases.

Se indica la velocidad de la turbina de potencia y los gases de escape son expulsados por el

escape o chimenea donde se mide e indica la temperatura a la que son expulsados. La

turbina de potencia está acoplada a un alternador al que se le impone una carga por medio

de un cilindro hidráulico que a su vez es impulsado por aceite del sistema de lubricación. En

el alternador se miden e indican la corriente y tensión eléctrica.

En el DTI también se representa el sistema de lubricación, el cual está compuesto por un

tanque de aceite donde se indica la temperatura del mismo, una bomba para dirigir el aceite,

indicado la presión de bombeo, un filtro de aceite, una placa para direccionar el aceite de

purga hacia el cilindro hidráulico, un intercambiador de calor, el suministro y drenaje de agua.

2. 8 DIGRAMA DE FLUJO DE PROCESO

El diagrama de Flujo muestra los diferentes suministros para la turbina de gas, además de

las condiciones de de presión, flujo y temperatura. El aire y el combustible son suministrados

a la cámara de combustión donde se realizara la ignición y esta generara por medio de la

energía liberada movimiento en la turbina de trabajo la cual al estar acoplada

mecánicamente al compresor lo hará realizar un trabajo mecánico.


36

Figura 2.16 Diagrama de flujo de proceso de la Tur bina de Gas.

Tabla 2.6 Condiciones normales de variables de proc eso.

La turbina de trabajo a su vez genera el movimiento de la turbina de potencia; es por medio

de esta que se ve reflejado el resultado del trabajo mecánico obtenido. Los gases se

expedirán a la atmosfera por medio de la chimenea o escape. El sistema de lubricación

permite a la turbina trabajar reduciendo el desgaste en sus componentes. Cuenta con un

sistema de intercambio de calor para disminuir la temperatura del aceite. En el diagrama se

TEMPERATURA PRESIÓN FLUJO FLUÍDO

NORMAL MÁXIMA NORMAL MÁXIMA NORMAL MÁXIMA -----

1 20 ° C 35 ° C 2 bar 4bar 0.5 g/s 3.3 g/s Gas LP 2 20 ° C 30 ° C ----- ----- ----- 200 mm H 2O Aire 3 20 ° C 18 ° C 2 bar 3 bar ----- ----- Agua 4 30° C 80 ° C 1.5 bar 2.5 bar ----- ----- Aceite 5 800 ° C 1000 ° C 0.2 bar 0.4 bar ----- ----- Gases


37

muestra el recorrido de los diferentes fluidos utilizados en la turbina de gas, lo cual nos es de

suma ayuda para comprender como trabaja la turbina cussons P9005.

CAPITULO III SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN

SSEELLEECCCCIIÓÓNN DDEE LLAA IINNSSTTRRUUMMEENNTTAACCIIÓÓNN

CCaappííttuulloo IIIIII


39

3.1 VARIABLES DE CONTROL

Para la propuesta de control es necesario conocer las variables de proceso de la turbina

Cussons modelo P9005. De acuerdo a las secuencias de arranque y paro de la turbina se

determina que las variables de control para esta propuesta son:

Temperatura

� Temperatura en la cámara de combustión (T3).

� Temperatura de entrada en la turbina de potencia (T4).

� Temperatura del combustible de entrada (Tg).

� Temperatura del aceite de lubricación.

Presión

� Presión de entrada de la cámara de combustión.

Flujo

� Flujo de gas a la entrada de la cámara de combustión (flujo de combustible).

Velocidad

� Velocidad de la turbina generadora de gas.

� Velocidad de la turbina de potencia.

3.1.1 TEMPERATURA.

Para las temperaturas a controlar se utilizan termistores (Fig.3.1) y termopares, actualmente

instalados en la turbina. El motivo por el cual se utilizan estos elementos primarios de

medición es el buen estado en que estos se encuentran y la posibilidad de acoplarlos a

transmisores, lo cual es necesario para cumplir los objetivos de esta propuesta. Los

elementos primarios utilizados para las mediciones de temperatura de acuerdo a los

intervalos de medición de las temperaturas del proceso se presentan en la tabla 3.1


40

Tabla 3.1 Temperaturas a monitorear.

TEMPERATURAS DEL PROCESO ELEMENTO

PRIMARIO

Temperatura del aceite de lubricación.

Termopar tipo K

Temperatura del combustible de entrada (Tg)

Termistor

Temperatura en la cámara de combustión. (T3).

Termopar tipo K

Temperatura a la salida de la Turbina de Potencia. (T4).

Termopar tipo K

Para medir las temperaturas del aceite, la temperatura dentro de la cámara de combustión y

la temperatura a la salida de la turbina de potencia se utilizan termopares tipo K, adecuados

por el intervalo de temperatura que poseen. En la figura 3.1 se muestra la conexión de un

termopar tipo K en la cámara de combustión.

3.1 Termopar en cámara de combustión.

Transmisores de temperatura

Los sensores actualmente instalados en la turbina están conectados a indicadores

analógicos, pero para la propuesta de control se requiere que los elementos primarios se

encuentren conectados a transmisores para que las mediciones sean enviadas al PLC y así

llevar a cabo el control y monitoreo. Para seleccionar el trasmisor adecuado para acoplarse a

los sensores de temperatura utilizados en la TG se tomaron en cuenta los siguientes

requisitos:


41

� Conexión a termopares tipo K y termistores.

� Salida analógica de 4 mA - 20 mA para enviar la señal al controlador.

El transmisor de temperatura seleccionado es el modelo TTH200 de la marca ABB (Asea

Brown Boveri, S.A) debido a que cuenta con una entrada para termopares tipo K y

termistores y a una salida de 4 mA a 20 mA; requerida para enviar la lectura al controlador.

Adicionalmente se tomó en cuenta que el transmisor cuenta con caja de bornes que facilita

su instalación y que con motivos de prevención el transmisor puede emplearse en

ambientes explosivos adecuado para la propuesta debido a que la TG maneja fluidos

combustibles y temperaturas altas. Se requieren 4 transmisores, uno por cada variable de

temperatura. La figura 3.2 muestra el transmisor:

Figura 3.2 Transmisor de temperatura TTH200 ABB.

3.1.2 FLUJO

El flujo másico de combustible requerido es de aproximadamente 7 kg/h (Flujo másico) y sin

carga 2 kg/h. Dado que la mayoría de los medidores de flujo miden flujo volumétrico es

necesario hacer una conversión de flujo másico a flujo volumétrico para ello se utiliza la

siguiente ecuación:

�� =ρQ (3.1)

Donde:

m� = Flujo másico, kg/h.

= Densidad de gas LP en fase gas, kg/m3.


42

Q= Flujo Volumétrico, m3/h.

De la ecuación 3.1 se despeja el flujo volumétrico (Q) y se sustituyen los siguientes valores:

m� = 7 kg/h y = 2.01 kg/m3

Por lo tanto, el flujo volumétrico es:

Q=��ρ=

7 kg/h

2.01 kg/m3=3.48��/h=58.3 LPM

Por lo que se requiere un medidor y transmisor de flujo volumétrico que abarque dicho

intervalo y posea las siguientes características:

� Un diámetro de conexión de ¼” para conectarse con la tubería de la TG.

� Señal de salida de 4 mA a 20 mA

� Presión de 2 bar a 4 bar (58.0152 PSI), presión de entrada del combustible.

Por lo que para la selección del instrumento en cuestión se tomaron en cuenta las

características mencionadas quedando como transmisor seleccionado el modelo FMA1610

A-I de la marca OMEGA ® (Fig. 3.3) debido a que cuenta con las siguientes características:

� Intervalo de operación de 100 SLM (standard liters per minute). Abarca el intervalo de

flujo volumétrico requerido.

� Conexión de ¼ “, adecuada para instalarse en la turbina de gas

� Salida de 4 mA -20 mA, comunicación via RS-232 al controlador.

� Presión máxima de 145 PSI

� Medicíon y transmisión del flujo.

� Adecuado para gases.

Figura 3.3 Medidor de Flujo FMA1610 A-I OMEGA®.


43

Para el monitoreo del flujo de combustible en la TG es necesario conocer el flujo másico, el

inconveniente como ya se ha mencionado es que los transductores de este tipo de flujo son

poco comunes y costosos, debido a que resulta más sencillo medir flujos volumétricos. Para

determinar el flujo másico se utiliza una técnica de compensación en el controlador (PLC)

que se basa en la densidad del combustible como se muestra a continuación:

� ��

Dónde:

= Densidad del combustible, kg/m3.

P= Presión de entrada en la cámara de combustión, Pa.

T= Temperatura del combustible de entrada, K.

P y T son obtenidas mediante sus respectivos transmisores.

�. � �

3.1.3 PRESIÓN

Para el monitoreo de la presión de la entrada de la cámara de combustión se requiere de:

� Un transmisor de presión con un sensor incluido.

� Presión de trabajo de 0 bar a 4 bar, presión en la entrada de la cámara de

combustión.

� Salida de 4 mA a 20 mA para ser enviada al controlador.

� Adecuado para gases.

La selección del transductor se presión se llevó a cabo de acuerdo a los requerimientos

arriba mencionados. El transductor de presión OMEGA ® modelo PX209-060GI (Fig.3.4)

cumple con las características necesarias para esta propuesta:

� Intervalo de 0 bar a 4.1 bar.

� Señal de salida 4 mA a 20 mA.

� Conexión de ¼” .

� Adecuado para Líquidos y Gases.


44

Figura 3.4 Transductor de presión modelo PX209-060 GI.

3.1.4 VELOCIDAD

Sensor de Velocidad

Debido a que la turbina de potencia y la turbina generadora de gas operan a velocidades

altas (60 000 RPM) es necesario utilizar un sensor capaz de medir dichas velocidades. Otro

requisito que se debe considerar es el espacio reducido en el que se debe instalar el sensor

y debe tratarse de un sensor de proximidad para evitar desgaste tanto en el equipo como en

el sensor. Por estas razones el sensor seleccionado es el sensor de proximidad modelo P5-

11 de la marca Mornarch Instrument, Inc mostrado a continuación:

Figura 3.5 Sensor de proximidad P5-11.

La selección se llevó a cabo mediante la búsqueda en sitios web de diferentes proveedores

de sensores de proximidad que tuvieran un intervalo de medición que abarcarán el requerido

(60 000 RPM) y también de longitudes pequeñas para ser acoplado dentro de la turbina de

gas.

Transmisor de Velocidad

Se requiere de un transmisor de velocidad, para que la medición realizada por el sensor de

proximidad sea enviada al PLC que realizará el control. El transmisor seleccionado es el

ACT-1B/115 PO de la marca Mornarch Instrument, Inc (Fig. 3.6). El motivo de la selección


45

de este instrumento es que acorde con el fabricante del sensor de proximidad seleccionado,

este transmisor es adecuado para conectarse con dicho sensor, por lo tanto su intervalo de

operación es apropiado para la transmitir la velocidad de la turbina de potencia y de la

turbina generadora de gas. También proporciona una salida de 4 mA a 20 mA requerida para

enviar la señal al controlador.

Figura 3.6 Transmisor de velocidad ACT-1B.

3.2 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Para realizar el control de arranque y paro en la turbina de gas Cussons P9005 es necesario

utilizar como elementos finales de control válvulas motorizadas y válvulas solenoides. Para

hacer la selección de las válvulas adecuadas para la propuesta es necesario llevar a cabo un

dimensionamiento de válvula el cual consiste en la determinación del Cv (coeficiente de

válvula para gases) de acuerdo a las condiciones del proceso. Conocer el cg da como

resultado la selección de la válvula adecuada para el proceso

El dimensionamiento de las válvulas de regulación de presión y flujo del combustible a la

entrada de la turbina de gas se realiza utilizando el software First Vue diseñado para realizar

dimensionamientos de válvulas de control y reguladores de presión de la marca Fisher®. Los

datos utilizados para el dimensionamiento son obtenidos del manual de operación de la

turbina.

Para la válvula reguladora de Presión los datos que se introducen al programa son:

Presión de entrada (P1): 7 bar. Debido a que en el manual no expresa está presión se hace

esta suposición.


46

Presión de salida: 2 bar. Es la presión a la que se debe de ajustar la válvula de acuerdo a la

secuencia de arranque indicada en el manual.

Diámetro de la tubería: ¼”.

Figura 3.7. Resultados entregados por Software Firs t Vue para la válvula reguladora de Presión.

El programa nos entrega una hoja de interpretación de los datos y muestra los valores

máximos y mínimos del Cg e indica que las condiciones son aceptables.

Para la válvula reguladora de Flujo los datos que se introducen en el programa son:

Presión de entrada: 2 bar. Es la presión proveniente de la válvula reguladora de presión de

acuerdo a la secuencia de arranque.

Presión de Salida: 3 bar

Diámetro de la tubería: ¼”.


47

El Cg obtenido mediante el cálculo del programa se muestra en la siguiente imagen de

pantalla:

Figura 3.8 Resultados entregados por Software First Vue para la válvula reguladora de Presión

El término genérico para el coeficiente de válvula que usan los fabricantes ya sea para

líquidos o gases es Cv, para convertir el Cg en Cv se divide entre C1 (Recovery Factor),

quedando de la siguiente manera los Cv obtenidos del programa para las dos válvulas:

�� 1

Para válvula reguladora de presión:

�� 3.71035 � 0.106

Para válvula reguladora de flujo:

�� 7.30535 � 0.2054


48

Con base en estos resultados la válvula seleccionada (Fig. 3.9) para la regulación de presión

es la válvula motorizada marca ASCO modelo SD8202G002V este modelo tiene un Cv de

0.14, adecuado para el Cv que se obtiene de los cálculos anteriores. Es importante decir que

otro motivo por el cual se selecciona esta válvula es debido a que es apropiada para

aplicaciones en gas y aire, a que su intervalo de operación cubre los requisitos de proceso

(max. 3 bar), su conexión al proceso (¼”) y su tamaño adecuado para que de ser

implementada está propuesta, está válvula puede acoplarse al panel de la turbina de gas.

La válvula seleccionada para la regulación de flujo es la Válvula Motorizada marca ASCO

modelo SD8202G003V, se seleccionó está válvula debido a que tienen un Cv de 0.28

adecuado para el Cv de 0.20 calculado para está válvula. Su intervalo de operación es

acorde para esta aplicación, su conexión de ¼” es apta para la tubería de la turbina de gas y

su tamaño es apropiado para el panel de la TG.

Figura 3.9 Válvula Motorizada SERIE SD8202.

Para sustituir a la válvula de Start/Run montada en la turbina de gas no es necesario el

dimensionamiento de la válvula dado que su función es el direccionamiento del aire. Se

selecciona la válvula de 3 vías de la marca OMEGA ® modelo SV4105 (Fig.3.10) por ser

adecuada al proceso ya que es ideal para fluidos neutros, como el aire comprimido, gases

inertes, agua y aceites sintéticos (en nuestro caso es aire) y por su conexión adecuada a la

tubería de la TG. La válvula tiene un cuerpo de latón de bronce y acero inoxidable.


49

Figura 3.10 modelo SV4105.

3.2 OTROS ELEMENTOS

Aparte de los instrumentos ya mencionados se requiere de otros elementos para de control

como son cables, botones y fuentes de alimentación, a continuación se explican sus

especificaciones:

3.3.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Para proporcionar la tensión de alimentación al medidor de flujo, 4 cabezales de

temperatura, transductor de presión, sensor y transmisor de velocidad se requiere de una

fuente de alimentación. La fuente seleccionada debido a sus características de alimentación

y a que tiene capacidad de hasta 5 dispositivos es el modelo CP-S 24/10.0 de la marca ABB

mostrada en la siguiente figura 3.11. Para esta propuesta se requieren 2 fuentes de

alimentación debido a que se utilizan 5 cabezales transmisores de temperatura.

Figura 3.11 Fuente CP-S 24/10.0 ABB CP-S 24/10.0.


50

3.3.2 BOTÓN PULSADOR

Se requiere de dos botones de tipo industrial para realizar la secuencia de arranque y la

secuencia de paro de la TG, se utilizara un botón rojo y uno verde, ambos normalmente

abiertos (Fig. 3.12).

Figura 3.12 Botón N.C.

3.4 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE

Con base a las secuencias de arranque, paro y las limitaciones de operación descritas en el

capítulo 2 y la selección de instrumentos descrita en este capítulo se establece que las

entradas y salidas del controlador para la propuesta son las siguientes (Tabla 3.11):

Tabla 3.11 Entradas al PLC.

TAG TIPO DE ENTRADA INTERVALO SEÑAL SALIDA (mA)

Transmisor de presión AI 0-4 bar 4-20 Transmisor de flujo AI 0-100 Lt/min 4-20

Transmisor de temperatura (Tg).

AI 0-160 °C 4-20

Transmisor de temperatura (T3).

AI 0-100 °C 4-20

Transmisor de temperatura (T4).

AI 0-100 °C 4-20

Transmisor de temperatura de aceite

AI 0 – 40/120° °C 4-20

Transmisor de velocidad

AI 0-2000 RPS 4-20

Transmisor de velocidad

AI 0-800 RPS 4-20


51

Tabla 3.12 Entradas al PLC.

FUNCIÓN ACTUADOR TIPO DE SALIDA SALIDA Válvula Reductora Válvula Motorizada AO 4-20 mA

Válvula de gas Válvula Motorizada AO 4-20 mA Válvula Start -Run Válvula Solenoide DO 120Vca

En la tabla 3.13 se resumen las entradas y salidas necesarias para esta propuesta:

Tabla 3.13 E/S.

Tipo de Módulo Cantidad

Entradas Analógicas 8

Salidas Analógicas 2

Entradas Digitales 2

Salidas Digitales 5

De acuerdo a esta información y a sus características el PLC que se selecciona es el

Micrologix 1200 de AB (Allen-Bradley ) (Fig.3.13). A continuación se mencionan algunas de

las características que posee y que son adecuadas para la propuesta:

� Expansión de los módulos E / S, como se observa en la tabla 3.13 se utilizan

entradas y salidas análogicas.

� Utiliza el software RSLogix 500 de programación, software al que se tiene acceso y

conocimientos de programación

Figura 3.13 Micrologix 1200 Allen-Bradley.

� La familia Micrologix 1200 tiene integrados E/S discretas de acuerdo al controlador

como se muestra en la figura 3.14:


52

Figura 3.14 Serie Micrologix 1200.

Conforme a las E/S discretas de la propuesta y tomando en cuenta una tolerancia del 20%

para proyectos futuros se selecciona el controlador Micrologix 1200 1762-L24BXB.

� Para la propuesta de control también se requieren de módulos de E/S analógicas

(Fig. 3.14) los módulos de expansión disponibles para el Micrologix 1200 son los que

se muestra en la siguiente figura (Fig. 3.15):

Figura 3.15 Módulos de expansión.


53

La tabla 3.14 muestra los módulos seleccionados. La figura 3.16 muestra un módulo de

expansión del PLC Mircologix.

Tabla 3.14 Módulos de expansión seleccionados.

Cantidad Módulo Características

1 1762-IF2OF2 2 entradas analógicas

2 salidas analógicas

1 o 2 1762-IF4 4 entradas analógicas

Figura 3.16 Módulo de expansión para Micrologix 120 0.

Integrando los módulos de expansión seleccionados al controlador 1762-L24BXB de

Micrologix 1200 la estructura del PLC resulta como se muestra en la figura 3.17:

Figura 3.17 Estructura del PLC seleccionado.

Para la conexión de los instrumentos con el PLC se requiere de un cable marca Cable

Kobrex S.A. de C.V. calibre 16 AWG/KCM.


54

La conexión entre el PLC y la PC es através del cable Micrologix 1761-CBL-PM02 (mostrado

en la Fig. 3.18) de la marca Allen- Bradley.

Figura 3.18 Cable Micrologix 1761-CBL-PM02.

CAPÍTULO IV PROPUESTA DE CONTROL

PPRROOPPUUEESSTTAA DDEE CCOONNTTRROOLL

CCaappííttuulloo IIVV


56

4.1 DIAGRAMA DE TUBERIA E INSTRUMENTACIÓN

En el DTI de la figura 4.1 se muestran los lazos cerrados de control de esta propuesta los

cuáles son:

� Lazo cerrado de regulación de presión del flujo de gas

� Lazo cerrado de regulación de flujo de gas.

La instrumentación restante mostrada en el diagrama tiene la función de proveer información

necesaria para el programa con el propósito de monitorear y llevar a cabo el control de

arranque, paro y las limitaciones de operación de la turbina de gas.

Figura 4.1 DTI de la propuesta de control. En este diagrama se muestra la integración de la instrumentación seleccionada para ésta

propuesta. El suministro de gas se da por medio de una válvula operada manualmente, y se

indica la presión de gas, posteriormente para la regulación de la presión se tiene un lazo


57

cerrado. Este lazo está integrado por el una válvula de paso nombrada Reset la válvula es

activada por un controlador, el gas pasa a través de la válvula reductora y un transductor de

presión ubicado a continuación de la válvula envía una señal eléctrica de 4 mA a 20 mA al

controlador que de acuerdo a la medición entregada y del algoritmo previamente programado

envía una señal normalizada de 4mA a 20 mA a la válvula reductora para regular la presión.

Regulada la presión de gas se tiene un lazo cerrado para la regulación del flujo de gas en

donde un transmisor de temperatura acoplado al sensor instalado en la turbina de gas envía

una señal al controlador y éste junto con la señal entregada por el transmisor de presión del

gas realiza la técnica de compensación de flujo mencionada anteriormente. Un transductor

de flujo ubicado antes de la válvula de gas envía la medición al controlador a través de una

señal de 4mA a 20 mA y de acuerdo a esta medición el controlador envía una señal eléctrica

a la válvula de gas para regular el flujo de gas.

Un contacto activado por el controlador energiza el soplador permitiendo el flujo de aire. Una

válvula de 3 vías direcciona el aire, ya sea permitiendo el paso del aire del soplador hacia la

cámara de combustión (al comienzo del arranque de la turbina de gas) o del silenciador al

compresor (cuando se ha alcanzado un estado auto sostenido) la posición de la válvula es

manipulada por un contacto activado por el controlador. El indicador de temperatura de aire

en el silenciador instalado actualmente en la turbina de gas así como el rotámetro para la

medición de flujo de aire se mantiene pero no se utilizan para ésta propuesta

En la cámara de combustión se mantienen los indicadores de presión instalados en la TG así

como el sensor y el indicador de temperatura a su entrada y se integra un transmisor de

temperatura que entrega una señal al controlador y éste revisa si la ignición se lleva a cabo o

no y si se sobrepasa la temperatura permitida en la cámara. Como ya se mencionó cuando la

ignición tiene lugar la turbina de trabajo y el compresor comienzan a operar, en el eje común

que comparten se añade un transmisor de velocidad que envía una señal a un controlador

debido a que se debe tener un control sobre la velocidad de la turbina de trabajo durante la

secuencia de arranque, la operación, la secuencia de paro y el paro de protección.

A la entrada de la turbina de potencia se tiene un transductor de temperatura, debido a que

la temperatura de estos gases es importante para llevar a cabo la secuencia de paro. A la

salida de ésta turbina se ubica un transmisor de velocidad acoplado al sensor de velocidad

instalado a la turbina de gas que al igual que el otro transmisor de velocidad envía una señal


58

a un controlador. Se conserva el indicador de presión a la entrada de la turbina de potencia

con el que cuenta actualmente la turbina así como el indicador de temperatura de los gases

de escape ubicado en la chimenea pero estos instrumentos no tienen efecto sobre ésta

propuesta.

La temperatura del aceite de lubricación es importante para llevar a cabo la secuencia de

paro es por eso que se ubica un transmisor de temperatura en el tanque de aceite que

entrega su lectura al controlador. Además de la secuencia de paro, la lectura de la

temperatura del aceite es importante dado que si ésta sobrepasa el límite permitido el

controlador realiza un paro de protección dado que ya no que no se cumpliría el propósito de

lubricar los rodamientos.

En la explicación del DTI actual de la turbina se explica la trayectoria del aceite en el sistema

de lubricación, su efecto en el alternador así como la indicación de la corriente y la tensión

en alternador, en este DTI estos aspectos no sufren cambios por lo que permanecen del

mismo modo.

4.2 ALGORITMOS DE CONTROL

Ya que se ha seleccionado la instrumentación requerida para esta propuesta, es momento

de desarrollar la programación del controlador. Ésta programación se efectuará mediante el

software RSLogix 500 © de la marca Rockwell Automation Inc.

Para realizar la programación es necesario contar con un algoritmo, es decir una secuencia

de pasos o instrucciones que nos indique la operación del arranque y paro de la turbina de

gas. Estas secuencias de pasos fueron explicadas en el capítulo 2, así como las limitaciones

de operación respectivamente. En los siguientes diagramas de flujo (Fig. 4.2 y Fig. 4.3) se

desarrollan las secuencias a programar en el PLC:


59

Figura 4.2 Diagrama de Flujo de la Secuencia de Arr anque de la TG Cussons.

Como se observa los primeros pasos de la secuencia de arranque mostrada en el capítulo 2

(del 1-3) seguirán siendo realizados manualmente. Los pasos mostrados en el diagrama de

la figura anterior han reducido de 17 pasos manuales a solo 4 pasos. Los pasos que el

usuario realiza con esta propuesta son:


60

1. Conectar el suministro de agua de la turbina de gas al drenaje

2. Conectar el recipiente portátil de gas.

3. Conectar el suministro eléctrico.

4. Presionar el botón de inicio.

Figura 4.3 Diagrama de Flujo de la Secuencia de Par o de la TG Cussons.

En la figura 4.3 se observa la secuencia realizada por el PLC para el paro a petición del

usuario. La secuencia de paro antes realizada manualmente por el usuario consistía de 6

pasos, con esta propuesta se reduce a 2 pasos manuales los cuales consisten en:

1. Cerrar la válvula del recipiente portátil de Gas.

2. Oprimir el botón de paro

El programa cuenta con un paro de protección para la turbina de gas en el cuál el usuario no

está involucrado, ya que el programa detecta las temperaturas altas para el equipo y realiza

un paro de protección al paro realizada por el controlador se muestra en la figura 4.4.


61

Figura 4.4 Diagrama de Flujo de la Secuencia de Par o por protección la TG Cussons .

4.3 PROGRAMACIÓN

La programación de las secuencias de arranque y paro de la turbina de gas consiste entre

otras cosas en permisivos que se encargan de llevar a cabo el orden de dichas secuencias

manteniendo los parámetros de operación fijados por el proveedor el control PID que regulan

presión y flujo para controlar las válvulas de gas y de reducción.

Barrido de Gases

Con el barrido de gases por aire se crea una capa de aire limpia la cual sirve para desalojar

los gases que pudieron haber quedado en la cámara de combustión, por lo anterior se

programó para el arranque de la turbina de gas un barrido de gases de 15 segundos para

redundar en la seguridad.


62

4.3.1 CONTROL DE PRESIÓN

Para controlar la presión de combustible de entrada a la cámara de combustión (de acuerdo

con el paso 11 de la secuencia de arranque) en el PLC a través de RSLogix 500 se realiza

lo siguiente:

� La señal análogica recibida del transmisor de presión es escalada por medio del

comando SCP.

� Después de ser escalada la señal es introducida al bloque de PID en dónde también

se introduce el Set Point. En la figura 4.5 se muestra el fragmento del programa en

donde se realiza el escalado.

� La salida del PID debe ser escalada nuevamente y direccionada a la salida

analógica de la válvula de reducción que será la encargada de realizar la acción

final de control.

Figura 4.5 Escalado y conversión de flujo volumétr ico a flujo másico.


63

4.3.2 CONTROL DE FLUJO

Para el control de flujo de combustible se debe controlar la apertura de la válvula de gas,

para ello se realiza lo siguiente en RSLogix:

Para la primera regulación de flujo de la secuencia de arranque:

En el capítulo anterior se indicó que para tener un valor de flujo másico como lo exige la

turbina de gas es necesario convertir el flujo volumétrico entregado por el transmisor de flujo

a flujo másico para esto se multiplica la presión y la temperatura en ese punto y así obtener

la densidad, posteriormente esa densidad obtenida se multiplica por el flujo volumétrico

recibido del transmisor. La siguiente figura muestra la programación de dicha conversión:

Figura 4.6 Programación del control de Flujo másico de gas de entrada en la cámara de combustión.

Ya que se tiene el flujo másico:

� El flujo másico es escalado con el comando SCP.

� Escalado el flujo se introduce al PID, en cual se fija el Set Point deseado. (Veáse

Fig.4.7)

� La señal proveniente del PID es direccionada a la válvula de gas para que realice la

acción de regulación de flujo.

Para regular nuevamente la válvula de gas con el propósito de brindar velocidad a la

Generador de gas se sigue un procedimiento similar

� La dirección escalada anteriormente del flujo másico es introducida al PID.

� Se introduce el set point al PID.

� El valor de salida del PID es escalado y direccionado a la válvula de gas. (Fig. 4.8)


64

Figura 4.7 Escalado de la entrada de Flujo másico y control PID.

Figura 4.8 PID para limpiar la cámara de combustión .

4.3.3 PARO DE PROTECCIÓN

Algunos de los permisivos encargados de la seguridad de los instrumentos y del usuario

provocan un paro de protección por ejemplo cuando la temperatura del aceite de lubricación

excede los 40°C tiene lugar un paro de protección de la turbina de gas. Este consiste en lo

siguiente:

� Un comparador es el encargado de revisar cuando la temperatura del aceite excede

de los 40°C.

� Cuando esto sucede se activa una bobina llamada Paro por protección direccionada

como B3:0/14.

� La bobina tiene varios contactos ubicados a lo largo del programa, para que en el

momento de ser activada la bobina B3:0/14 realicen la secuencia del paro de

protección (Fig. 2.16).


65

Figura 4.9 Permisivo para el paro de protección.

4.3.4 E/S EN EL CONTROLADOR

Parte fundamental de la programación radica en el correcto direccionamiento de E/S. Este

direccionamiento tiene que ver con el tipo de señal de las E/S, el módulo en el que se

encuentran y la función que realizan. La tabla 4.1 enlista las entradas y salidas analógicas y

digitales del programa.

Tabla 4.1 E/S en el programa

Direccionamiento Descripción Tipo de Señal

I:0.0/0 Encendido del programa Digital

I:0.0/1 Paro a petición Digital

I:1.0 Presión cámara de combustión Analógica

I:1.1 Temperatura del flujo degGas (Tg) Analógica

I:2.0 Flujo volumétrico Analógica

I:2.3 Temperatura en la cámara de combustión

(T3)

Analógica

I:2.1 Transmisor de velocidad del generador de

gas

Analógica

I:2.2 Temperatura del aceite Analógica

I:3.1 Temperatura en la turbina de potencia

(T4)

Analógica

I:3.0 Transmisor de velocidad de la turbina de

potencia

Analógica

O:1.0 Válvula de gas Analógica

O:1.1 Válvula reductora Analógica


66

O:0.0/1 Bomba de aceite Digital

O:0.0/0 Reset Digital

O:0.0/2 Soplador Digital

O:0.0/3 Ignición Digital

O:0.0/4 Válvula solenoide de 3 vías Digital

Tabla 4.2 Valores guardados en registros N7.

Direccionamiento Descripción

N7:0 Valor escalado de la presión de

entrada en la cámara de combustión

N7:1 Escalado de salida del PID de

regulación de presión

N7:2 Densidad

N7:3 Flujo másico

N7:4 Escalado de flujo másico

N7:5 Salida del PID para regular la válvula

de gas

N7:6 Valor escalado de T3

N7:7 Valor escalado de la temperatura de

aceite

N7:8 Salida de PID para regular la válvula

de gas

N7:9 Valor escalado de la velocidad en la

turbina de potencia

N7:10 Valor escalado de la velocidad del

generador de gas

N7:11 Valor escalado de T4

N7:15 Valor escalado del Flujo volumétrico

Esta configuración de entradas y salidas e integradores se realiza con los módulos de

expansión previamente citados y en el siguiente orden, en el rack número uno se inserta la

tarjeta de expansión 1762-IF2OF2, en el segundo y tercer rack las dos tarjetas 1762-IF4.

Cabe señalar que las entradas y salidas digitales no requieren de módulos de expansión, ya

que el MicroLogix 1200 seleccionado cuenta con 14 entradas y 10 salidas digitales.


67

4.4 COSTOS DE LA PROPUESTA

La parte del análisis económico pretende determinar cual es el monto de los recursos

económicos necesarios para la realización del proyecto. Los costos de propuesta están

formados por los costos aproximados de ingeniería y de los insumos.

4.4.1 COSTO DE INSUMOS

A continuación se muestran los costos del equipo y material a utilizar para la propuesta de

control de la turbina de gas P9005 de la marca Cussons Technology ltd. Las siguientes

tablas muestran el modelo y marca de cada uno de los componentes a utilizar, y se

encuentran ordenadas por categoría. En la Tabla 4.3 se muestran los sensores y

transmisores que se proponen, la cantidad se define con base en las variables del proceso a

controlar también se presenta el modelo, la marca y el precio unitario de cada elemento,

esto puede ayudar a proyectos futuros relacionados con la turbina de gas y ésta propuesta.

Tabla 4.3 Costo de Transmisores y Sensores.

Cantidad Descripción Fabricante Precio Unitario Precio Total

4 Transmisor de

temperatura tipo

cabezal modelo

modelo TTH200

Asea Brown Boveri, S.A

(ABB)

$ 650 $ 2 600

1 Transmisor de flujo

FMA1610 A-I

OMEGA ®. $ 26 606. 7 $ 26 606. 7

1 Transductor de

presión modelo

PXM219-004G10V

OMEGA ® $ 3 679.65 $ 3 679.65

2 Transmisor de

velocidad modelo

ACT-1B/115 PO

Mornarch Instrument, Inc. $ 11 699.4

$ 23 398.8

2 Sensor de proximidad

P5-11

Mornarch Instrument, Inc. $ 1 981.35 $ 3 962.7

Total: $ 60 247.85


68

Para los costos de los elementos finales de control (Tabla 4.5) es necesario tener en cuenta

la cantidad de válvulas que se requieren.

Tabla 4.5 Costo de Elementos Finales.


2 Válvula Motorizada modelo SD8202G053V

ASCO ® $ 5 352.79 $ 10 705.58

1 Válvula de tres vías motorizada modelo SV4105

OMEGA ® $ 2 056.83 $ 2 056.83

Total: $ 12 762.41

El precio unitario de la fuente de alimentación (Tabla 4.6) se multiplica por 2, cantidad de

fuentes requeridas para la propuesta. Relacionado a la fuente de alimentación se toman en

cuenta los conductores apropiados para conectar los instrumentos con las fuentes. El precio

de los conductores se maneja en rollos de acuerdo al proveedor (Tabla 4.7).

Tabla 4.6 Costo de Fuentes de alimentación.


2 Fuente de alimentación para 5

Dispositivos

Asea Brown Boveri, S.A (ABB)

$ 8 314.97 $ 16 629.94

Total: $ 16 629.94

Tabla 4.7 Costo de Conductores.

Cantidad Descripción Fabricante Precio Rollo Precio Total

1 Rollo de 100m de cable

calibre 16 AWG/KCM

Cable Kobrex S.A. de

C.V.

$ 283. 93

$ 283. 93

Total: $ 283. 93

Como se mencionó en el capítulo 3, el PLC es un controlador de tipo modular por lo que los

módulos de expansión se adquieren por separado. Por tal motivo, se debe considerar la

cantidad de de módulos que se requieren. La cantidad de módulos se definió de acuerdo a

las E/S requeridas para la programación de la secuencia de arranque, secuencia de paro y la


69

secuencia de paro de seguridad. Otro costo importante que debe tomarse en cuenta es el

cable de comunicación del PLC con la PC.

Tabla 4.8 Costo de controlador y tarjetas de expans ión.


1 1762-L24BXB Allen-Bradley $ 6 391.64 $ 6 391.64

1 Módulo de 2 entradas y 2 salidas analógicas 1762-

IF2OF2

Allen-Bradley $ 4 917.77 $ 4 917.77

2 Módulo de 4 salidas análogicas1762-IF4

Allen-Bradley $ 4 917.77 $ 9 835.54

1 Cable Micrologix 1761-CBL-PM02

Allen-Bradley $ 1 001.05 $1 001.05

Total: $ 22 146

Para la programación del PLC se requiere del software RSLogix 500 así como la licencia

para usarlo. El precio fue obtenido del sitio web de Rockwell Automation (Tabla 4.9).

Tabla 4.9 Costo de Software y Licencia.


1 Software RSLogix 500 Rockwell Automation, Inc. $ 1 445 $ 1 445

Total: $ 1 445

4.4.2 COSTOS DE INGENIERÍA

En lo referente a costo de ingeniería, se estiman los siguientes gastos:

Tabla 4.10 Costo de Software y Licencia.

Personal Cantidad Horas Costo por hora Costo Unitario Costo Total

Ingeniero 2 160 $ 500 $ 80 000 $160 000

Técnico 1 20 $200 $ 4000 $ 4 000

Total: $ 164 000


70

Esta estimación se realizó tomando en cuenta el tiempo en que se llevo a cabo la selección

de instrumentos y en la programación de las secuencias de ésta propuestas, también se

consideró el grado de dificultad de dichas actividades y por último el número de ingenieros

se definió con base a los elaboradores de ésta propuesta más la ayuda de un técnico.

4.4.4 INVERSIÓN TOTAL

La inversión total se define mediante la sumatoria de todos los elementos, herramientas y

personal que se requieren para ésta propuesta quedando de la siguiente manera:

Tabla 4.11 Monto Total.

Equipo Costo

Transmisores y Sensores $ 60 247.85

Elementos Finales $ 12 762.41

Conductores $ 283. 93

Fuentes de alimentación $ 16 629.94

Controlador y tarjetas de expansión $ 22 146

Software y Licencia $ 1 445

Total Equipo $113 515.13

Ingeniería $ 164 000

Total : $ 277 515.13

CONCLUSIONES

CCOONNCCLLUUSSIIOONNEESS


73

Al llevar a cabo esta propuesta de control se generó información indispensable y útil. Tal es

el caso de los DTI, que son útiles en el uso de la turbina, así como para realizar proyectos

futuros. En ellos se representa gráficamente los suministros, tuberías e instrumentos de la

turbina. Para realizar los DTI se llevó a cabo un levantamiento de la turbina de gas, en el que

se identificó la posición y el estado de cada uno de los elementos que componen al sistema.

En el primer DTI se muestra la turbina como el fabricante la diseño, resultando útil en el uso

de la turbina dado que representa la ubicación de los elementos así como de las variables de

proceso, permitiendo al usuario operar la turbina y saber el curso del proceso. Además es de

gran ayuda para proyectos futuros porque se sabe que instrumentos integran la turbina de

gas, que variables monitorea cada uno de ellos y de que manera se desarrolla el control. El

DTI de la propuesta representa la integración de los instrumentos propuestos en la turbina,

así como la filosofía de control de esta propuesta. En caso de que se lleve a cabo esta

propuesta el diagrama posee lo necesario para la instalación de la instrumentación.

Se propusieron instrumentos nuevos que proporcionaran información necesaria al

controlador y que de acuerdo al programa que éste contiene se tomaran las decisiones

adecuadas para llevar a cabo las secuencias. Por lo anterior también fueron propuestos

actuadores que llevaran a cabo lo ordenado por el controlador.

El diagrama de flujo realizado en esta propuesta es importante ya que proporciona

información acerca de los intervalos máximos, mínimos y normales de las variables del

proceso en diferentes puntos del mismo lo que ayuda al usuario a identificar cuando existe

una situación anormal. Además es útil porque proporciona información para la selección de

instrumentación dado que se muestran las condiciones a las que están expuestos.

Para alcanzar el objetivo de ésta propuesta de control se modifican dos lazos abiertos. Estos

son el lazo de presión de alimentación del combustible y el lazo correspondiente al flujo de

gas de entrada, con la propuesta ambos monitorean y regulan automáticamente la presión y

el flujo respectivamente convirtiéndose así en lazos cerrados.

Utilizando las secuencias de arranque y paro asi como las limitaciones de operación de la

turbina proporcionadas por el fabricante (Manual de la turbina) y considerando los

instrumentos propuestos se desarrolló un programa para el PLC. La programación se realizó

en lenguaje en escalera, y además se tomaron en cuenta posibles situaciones de riesgo

tanto para el usuario como para el funcionamiento de la turbina, como el aumento y/o


74

decremento en la temperatura en la caldera, la temperatura del aceite y la baja o alta

presión del combustible.

RECOMENDACIONES PARA FUTUROS PROYECTOS

Para futuros proyectos se hacen las siguientes recomendaciones:

- Sistema de lubricación:

El sistema de lubricación con el cuenta la turbina de gas usa un intercambiador de

calor para reducir la temperatura del aceite el cual requiere de un suministro de agua,

pero dicha agua después al salir del intercambiador de calor es enviada al drenaje,

por lo cual se sugiere el empleo de un sistema de retroalimentación del agua, ya que

con base en la norma NOM-087-SEMARNAT-SSA1-2002 en su apartado de

Protección Ambiental habla del cuidado del agua y de evitar el desperdicio de la

misma.

- Interface Hombre-Máquina:

Para tener control total sobre la turbina de gas y poder monitorear los valores de las

diferentes variables involucradas en la turbina de gas se recomienda la

implementación de una HMI, además con la implementación de esta se podrán

realizar diversas prácticas que ayudaran a la formación de los estudiantes en la

ESIME Zacantenco.

BIBLIOGRAFÍA

BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFÍÍAA


76

1. CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación industrial. 1998

2. COHEN, H. Teoría de las Turbinas de gas. 1983

3. ÁLVAREZ FLÓREZ, Jesús. Máquinas Térmicas Motoras. Editorial AlfaOmega. 2005

4. ÇENGEL ,Yunus A. Termodinámica. 2009

5. Manual de usuario. Turbina de gas de doble flecha Cussons Technology Ltd P9005

6. Manual de usuario. MicroLogix™ 1200 System Overview

7. Graphic symbols for process displays ISA 5.5. 1985

8. Instrumentation symbols and identification ISA 5.1. 1992

9. Elementos primarios y válvulas de control ISA-S75. 1995

10. http://www.omega.com/ Octubre 2010

11. http://www.abb.com/ Septiembre 2010

12. http://www.ascovalve.com/ Octubre 2010

13. http://www.ab.com/ Noviembre 2010

14. http://www.rockwellautomation.com/ Octubre 2010


77

ANEXO A SIMBOLOGÍA Y GRÁFICAS

SIMBOLOGÍA

La simbología usada para los DTI’S de esta propuesta está basada en la ISA 5.1 y ISA 5.5 a excepción de los siguientes simbolos:

Filtro de aceite

Cilindro Hidráulico

Alternador Eléctrico


78

GRÁFICA PARA RECTIFICAR LAS LECTURAS DE DE FLUJO DE COMBUSTIBLE


79

CALIBRACIÓN DEL ALTERNADOR


80

ANEXO B

ESPECIFICACIONES DE INSTRUMENTOS

Transmisor de temperatura tipo cabezal modelo TTH200 marca ABB

Conexiones eléctricas

1 Potenciómetro, circuito de cuatro conductores

2 Potenciómetro, circuito de tres conductores

3 Potenciómetro, circuito de dos conductores

4 RTD, circuito de cuatro conductores


81

5 RTD, circuito de tres conductores

6 RTD, circuito de dos conductores

7 Medida de tensión

Dimensiones

Medidas en mm / pulgada

1 Interfaz para el indicador LCD tipo AS (no apropiado para el indicador LCD tipo A)


82

Transmisor de Presión


Dimensiones

Transductor de flujo.


83


84

Sensor de Velocidad de proximidad.

ACT-1B, ACT-1B-10, ACT-1B-60

TACÓMETROS PARA PANELES


85

Válvula Motorizada


86

Válvula de 3 Vías


87

Fuente de Alimentación


88

Micrologix 1200


89

ANEXO C PROGRAMACIÓN Y CONFIGURACIÓN

A continuación se muestra el procedimiento que se debe seguir para la programación del algoritmo de control para ésta propuesta.

� Abrir RSLogix 500 ©

� Seleccionar el CPU File>New>Bul. 1762 Micrologix 1200 Series B


90

� Dimensionamiento de PLC • Número de Racks • Módulos de expansión

Árbol de proyecto> I/O Configuration

� Comenzar a programar

El lenguaje de programación de RSLogix es en escalera.


91

PROGRAMA DE LAS SECUENCIAS DE ARRANQUE Y PARO


92


93


94


95


96

COMUNICACIÓN CON EL PLC

Si se desea llevar a cabo esta propuesta se recomienda establecer comunicación entre el

PLC y el equipo de programación (PC ó Laptop). Para está función se usa el programa

RSLinx de la marca Rockwell Automation, compatible con RSLogix software de

programación para la serie SCL 500 y la familia de Micrologix de Allen Bradley.

En seguida se muestran los pasos a seguir para establecer la comunicación:

Abrir RSLinx.

RS Who

Configure Drivers

-Seleccionar de la lista que se muestra en la figura de abajo un elemento


97

MÉTODO DE SINTONIZACIÓN DEL PID

A continuación se muestra un método general sintonización de los bloques PID en RSLogix

500

La instrucción PID usa el algoritmo siguiente:

Ecuación estándar con ganancias dependientes:


98

!"#$! � �% � &' ( 1�) )*'+ $, ( �- . /*�0+$,1 ( 2#!

Las constantes de ganancia estándar son:

Término Intervalo (bajo a alto) Referencia

Ganancia de

controlador KC

0.1 a 25.5 (adimensional)

Proporcional

Término de

restablecimiento 1/TI

25.5 a 0.1 (minutos por repetición)

Integral

Existen varias técnicas que se pueden usar para sintonizar un lazo PID. El método de ajuste

PID siguiente es general y es limitado respecto al manejo de perturbaciones de carga.

Cuando sintoniza, le recomendamos que efectúe cambios en el modo MANUAL, seguido por

un retorno a AUTOMATICO. El límite de salida se aplica en el modo MANUAL.

Nota: Este método requiere que la instrucción PID controle una aplicación no crítica respecto

a la seguridad personal y daños al equipo.

Una vez desarrollado el programa para la propuesta de control de la turbina de gas se

procede a describir un método de sintonización.

Procedimiento

1. Conectar el equipo de control de proceso a los módulos analógicos. Cargar el programa

en el procesador. Deje el procesador en el modo de programa. Asegúrarse que todas las

posibilidades de movimiento de la máquina hayan sido consideradas en cuanto a la

seguridad personal y daños al equipo. Es posible que la salida CV pueda oscilar entre 0 y

100% durante la sintonización.

2. Introducir los valores siguientes: el valor de punto de ajuste inicial SP, un Ti de

restablecimiento de 0, un régimen Td de 0, una ganancia Kc de 1 y una actualización de lazo


99

de 5. Establezca el modo PID a STI o temporizado, según su diagrama de escalera.

Introduzca los establecimientos opcionales aplicables (límite de salida, alarma de salida,

escalado Smax –Smin, alimentación hacia adelante).

3. Prepárese para registrar el CV, PV, entrada analógica o salida analógica a medida que

vaya variándose con el transcurso de tiempo con respecto al valor del punto de ajuste SP.

4. Colocar la instrucción PID en el modo MANUAL, luego colocar el procesador en el modo

de marcha.

5. Mientras monitoriza la pantalla PID, ajustar el proceso manualmente escribiendo al valor

de porcentaje CO.

6. Cuando perciba tener el proceso bajo control manual, colocar la instrucción PID en el

modo AUTOMATICO.

7. Ajuste la ganancia a medida que vaya observando la relación de la salida con el punto de

ajuste durante el transcurso de tiempo. Para evitar esta perturbación, cambie al modo

MANUAL antes de efectuar el cambio de ganancia y luego retorne al modo AUTOMATICO.

8. Cuando observe que el proceso está oscilando arriba y abajo del punto de ajuste de una

manera uniforme, registrar la duración de 1 ciclo. Eso es, obtenga el período natural del

proceso.

Período natural = 4x tiempo muerto

Registre el valor de ganancia. Retorne al modo MANUAL (detenga el proceso si fuese

necesario).

9. Establecer el tiempo de actualización del lazo (y el intervalo de tiempo STI si es aplicable)

a un valor de 5 a 10 veces más rápido que el período natural.

Por ejemplo, si el tiempo de ciclo es 20 segundos y usted elige establecer el tiempo de

actualización del lazo a 10 veces más rápido que la velocidad natural, establezca el tiempo

de actualización del lazo a 200, lo que resultará en una velocidad de 2 segundos.


100

10. Establecer el valor de ganancia Kc a 1/2 de la ganancia necesaria para obtener el

período natural del proceso. Por ejemplo, si el valor de ganancia registrado en el paso 9 fue

80, establezca la ganancia a 40.

11. Establezca el término de restablecimiento Ti para que éste se aproxime al período

natural. Si el período natural es 20 segundos, como en nuestro ejemplo, se establecerá el

término de restablecimiento a 3 (0.3 minutos por repetición se aproximan a 20 segundos).

12. Ahora establecer el régimen Td para que éste sea igual a un valor de 1/8 del término de

restablecimiento. Para nuestro ejemplo, el valor 4 será usado para proporcionar un término

de régimen de 0.04 minutos por repetición.

13. Colocar el proceso en el modo AUTOMATICO. Si tiene un proceso ideal, la sintonización

PID será finalizada.

15. Para efectuar ajustes de este punto en adelante, coloque la instrucción PID en el modo

MANUAL, introduzca el ajuste y retorne la instrucción PID al modo

AUTOMATICO. Esta técnica de cambiar al modo MANUAL y luego retornar al modo

AUTOMATICO asegura que la mayor parte del “error de ganancia” se elimine al momento de

realizar cada ajuste. Esto le permite observar inmediatamente los efectos de cada ajuste. El

alternar el renglón PID permite que la instrucción PID se reinicie eliminando así toda la

“acumulación integral”.

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL - tesis.ipn.mxtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/10113/1/97.pdf · Por tal motivo en este trabajo se propone un sistema de control secuencial de