-
8/17/2019 PAPER DE BYPASS A TURBINA
1/7
1
MEJORAMIENTO DE LA VÁLVULA DE BYPASS A TURBINA DEALTA
PRESIÓN
Miguel Ángel Alvarado WeigendIndustrias ControlPro, SA de CV
Blvd. Antonio L. Rodríguez No. 3058 4to Piso Desp. 404-B Plaza
DelphiCol. Santa María, CP. 64650, Monterrey, Nuevo León,
México.
Teléfono: (0052-81) 83562582, 83561907,
[email protected]
RESUMEN
Este trabajo es el resultado de una extensainvestigación a
través de los sistemas de bypass aturbina en centrales de
generación de ciclocombinado en como mejorar estos lazos de control
ycomo disminuir el tiempo de arranque de una turbinade alta
presión.
El enfoque que se le da a los datos
presentados en este trabajo son de acuerdo a unanálisis
realizado en la válvula de derivación deturbina de la central de
ciclo combinado GómezPalacio (válvula bypass 30”),.
Dada la importancia del desempeño de estaválvula es imperativo
tener un buen control sobreesta, sen incluye un análisis de costos
y ahorro deenergía que representa el disminuir el tiempo dearranque
de una planta de generación de ciclocombinado.
Palabras Clave: Lazo de control, bandamuerta,
posicionadores inteligentes, actuadores
electro hidráulicos.
ABSTRACT
This paper is the result of an extensiveresearch through the
bypass to turbine system incombined cycle power plants, in how to
improve thecontrol loop and how to reduce the start up time of
ahigh pressure turbine.
The focus that we give to the data shown inthis paper are
according to an analysis realized on thehigh pressure bypass valve
or the combined cyclepower plant CFE Gomez Palacio (30” bypass
valve),.
Given the important of the performance ofthis valve its
imperative to have a good control on it,this paper includes a cost
analysis and an energysaving cost that represents to reduce the
start up timeof a combined cycle power plant.
Keywords: Control Loop, dead band, smartpositioner,
electrohidraulic actuators.
Fig. 1.- Actuador electrohidráulico para válvula de bypass
aturbina de alta presión
1. INTRODUCCIÓN
Las válvulas de bypass a turbinaaíslan la turbina de vapor de la
caldera durante elarranque, parada y durante los cambios de carga.
Estoprotege a la turbina del paso del agua y protege alequipo
adicional de la planta de los grandes transitoriostérmicos.
También aislando la caldera y la turbina devapor es posible
reducir el consumo de combustibledurante el arranque y la parada,
dejando la caldera“online”.
El sistema de bypass a turbina está diseñado
para facilitar el tiempo de arranque y hacerlo lo másrápido
posible, esto se logra controlando la presión y latemperatura de la
caldera.
Esto requiere un funcionamiento muy precisode modulación para
poder controlar la presión de vapor,y también un control muy
preciso de la temperaturapara proteger el equipo aguas abajo
haciendo coincidirlas condiciones con las que normalmente se
producen ala salida de la turbina.
-
8/17/2019 PAPER DE BYPASS A TURBINA
2/7
2
Fig. 2.0-El Actuador en una válvula es elelemento de control y
regulador de caudal.
2. RESPONSABILIDADES DE LAVÁLVULA DE BYPASS.
Algunos de los temas críticos que maneja laválvula de bypass a
turbina son:
1. La alta presión diferencial, que ocasiona lageneración
de ruido y la vibración de latubería.
2. El control de la temperatura de vapor, paraevitar el
daño de los equipos aguas abajo.
3. El alto gradiente de temperatura.4. Las altas
temperaturas que maneja la
válvula(1065ºF), que requieren el uso demateriales aleados e
internos diseñadosespecialmente para la aplicación.
5. La carga inadecuada del asiento, que puede
reducir la carga y rendimiento de la planta ala vez que ocasiona
daños a la válvula.
6. La apertura rápida en caso de una pérdida decontrol de
la planta.
7. Un cierre hermético es necesario paramantener el vacío
en el condensador,cualquier fuga impacta la eficiencia.
Asi también las responsabilidades de laválvula de bypass se
pueden dividir en 3principales categorías: Stay ON-LINE, Control
yAislamiento.
2.1 STAY ON-LINE
El sistema de bypass a turbina de altapresión permite al
operador mantener la turbina degas y el HRSG (Heat Recovery Steam
Generator) enlínea en un evento de disparo de turbina,
tambiéndisminuye el tiempo de arranque.
2.2 CONTROL
Durante el arranque o disparos de turbina, lasválvulas de
descarga de vapor controlan la presión yflujo a través de las
líneas de vapor de la turbina depresión intermedia. Mientras tanto
los sistemas deatemperación controlan la temperatura hacia la
entradadel re-calentador y el condensador. Estos doscomponentes
trabajando coordinadamente mantienen lapresión y las temperaturas
del sistema de vapor, asegurael control del nivel del domo en un
evento de disparo, ypermite un rápido re-arranque de la turbina de
vapor.
2.3 AISLAMIENTO
La función principal del sistema de bypass aturbina de alta
presión es aislar totalmente el ciclo debypass durante la operación
normal. Las válvulascontenidas en el sistema de bypass deben de
contar concierre hermético durable y confiable. Ya que
estossistemas se encuentran aislados el 95% del tiempo omas.
Alguna falla en el cierre que tengan estasválvulas puede
resultar en el daño a los asientos einternos de la válvula, los
cuales se ven reflejados en laperdida de energía y perdida de
control durantearranques y disparos de turbina.
3. DISEÑO DE LA VÁLVULA DE BYPASS
La función de la válvula debe de sermodulante y al mismo tiempo
tener un cierre herméticopreciso, notoriamente es un servicio
difícil, además queel cuerpo y los internos de la válvula deben
lidiar contransitorios térmicos muy rápidos.
El control del ruido se ha vuelto uno de losrequerimientos más
importantes de fabricación de estasválvulas.
Fig. 3.0- Diseño de discos apilados conlaberintos reductores de
presión y velocidad a90 grados.
-
8/17/2019 PAPER DE BYPASS A TURBINA
3/7
3
Debido al tamaño de la válvula, válvulas contapón desbalanceado
no son utilizadas en estasaplicaciones debido a que la fuerza del
actuadorrequerida seria muy grande para un actuadorneumático
convencional.
Sin embargo cabe recordar que un cierrehermético estable y
preciso es requerido en estaaplicación, entonces el uso de internos
piloto –balanceado (MS-SSP-61) es muy común. Este diseñopermite que
un actuador con relativamente pocafuerza opere a una alta
diferencia de presión(balanceado cuando esta abierto) y
completamentedesbalanceado cuando cierra.
Fig. 3.1 Vista seccionada de la válvula deglobo con diseño de
discos apilados ylaberintos reductores de presión.
Materiales especiales, toleranciasespecificas, arreglos
especiales para elcuerpo/internos/bonete, trayectorias de
flujo(laberintos), son utilizados para tratar los ciclos
térmicos con los que la válvula debe de lidiar.Los laberintos de
control de velocidad han
sido implementados para tratar con las limitacionesde reducción
de ruido, además que extienden eltiempo de vida de los internos, y
del cuerpo de laválvula.
Fig. 3.2 – Graficas comparativas de presión yvelocidad en una
válvula normal (arriba) y enuna válvula con discos apilados
(abajo)
En el mundo solamente KOSO / CCI cuentancon la tecnología
para fabricar internos de discosapilados con trayectorias de
laberintos a 90 grados(diseño original). Esto es debido a un
acuerdo detransferencia de tecnología con el que
contabananteriormente estas dos compañías.
4. ACTUACIÓN NEUMÁTICA, NO ES UNABUENA OPCIÓN.
Estos son los requerimientos de desempeño deun actuador para una
válvula de bypass a turbina de altapresión.
1. La carrera del actuador varía entre 6 pulg. y
12pulg.
2. Las fuerzas de empuje varían entre 15,000 y40,000 lbs
dependiendo del diseño de laválvula y los parámetros del
proceso.
3. La velocidad de apertura y cierre esta
típicamente por debajo de los 5 segundos.4. Muchas veces
bajo falla de señal de control lavelocidad de cierre bajo falla es
de 2 segundoso menos.
5. Repetibilidad de posición.6. Posicionamiento fino
y exacto, con baja banda
muerta.
Los actuadores neumáticos pueden proveeruna rápida velocidad de
apertura y cierre, sin embargola respuesta a la frecuencia,
repetibilidad, y estabilidaddinámica de los dispositivos neumáticos
estáninherentemente limitados debido la suave ycompresible
naturaleza del aire.
La fricción estática es una de las mayoreslimitantes para
el desempeño correcto. Empaques ySellos de grafito son requeridos
en esta aplicación (altatemperatura) y agregan un valor
significante defricción. Los cilindros de los pistones
neumáticostambién agregan mas fricción, debido a los sellos
delcilindro.
Fig. 4.0 – Esquema de partes yfuncionamiento de un actuador de
pistónneumático.
Fuerza deoposición de la
Suministro deaire del
Venteo a la
atmósfera
FricciónEstática
FricciónEstática
-
8/17/2019 PAPER DE BYPASS A TURBINA
4/7
4
4.1. CÁLCULO DE VARIABLES DEACTUADOR DE PISTÓN
Considerando un actuador de 18 pulg. dediámetro, con un 7.5
pulg. de carrera y una presión desuministro de 120 psig. Así como
se muestra en lafigura. Para que el pistón se mueva hacia arriba
elposicionador debe ventear aire de dentro del cilindroasí hasta
que la presión interna ha decrecido losuficiente para vencer la
fricción estática. Para esteejemplo supóngase un diferencial de
fuerza entrefricción estática y dinámica de 2,200
lbs,correspondiente al cambio de presión del actuador de120 psig a
111 psig.
Fig. 4.1- Diagrama de un actuador de pistón.
Primero el volumen de aire a 120 psig (135psia) debe ser
venteado de acuerdo a la siguienteecuación:
El tiempo requerido para ventear estevolumen de aire a 80ºF
(27ºC o 520ºR) a través de unpuerto de posicionador estándar.
Este es el tiempo muerto de un actuadorneumático, es el tiempo
que le toma al posicionadorllegar a una posición de control.
El “salto” del pistón es calculado de acuerdo ala siguiente
ecuación:
Para el actuador de 7.5 pulgadas de carrera, el“salto”, el cual
se refiere a la resolución del actuador, esdel 4.6% del span. Esto
fácilmente ocasiona mayoresproblemas de fricción e
inestabilidad.
Mientras más capacidad de venteo tenga elposicionador, mayor
será el salto que este dé, y mayorserá la inestabilidad del
actuador.
5. OPERACIÓN DE BYPASS A TURBINADE ALTA PRESIÓN.
Otra función principal de los sistemas debypass a turbina, es
evitar un evento de sobrepresión enel sistema de vapor, ocasionado
como resultado laapertura de las válvulas de alivio (o seguridad)
yconsecuentemente creando un problema deinterrupción/mantenimiento
para reparar las válvulas.
Para lograr esto las válvulas de bypass aturbina deben de tener
la capacidad para operar enmovimiento rápido (“fast acting”) vs.
modulación. Laoperación en movimiento rápido actúa sensando
unevento de sobrepresión en las líneas de vapor principaly/o en las
líneas de “hot reheat”, o cuando se reciben undisparo de señal a
turbina.
El sistema de bypass a turbina de alta presióndirige el flujo de
vapor derivando a la turbina parapasar directamente al condensador,
el cual proporcionala última disipación de calor.
Esto sirve para bajar la presión del sistema,mientras que se
sigue pasando suficiente flujo paramantener el HRSG (Heat Reheat
System Generator)supercalentador y el recalentador enfriado. Las
válvulasen esta parte del sistema actúan como válvulas dedescarga
de vapor.
−×=∆
k
Inicial
Final
absP
absPVolVolumen
1
)(
)(1
−×=∆
4.11
3
135
1261lg1909
psia
psia puVolumen
3lg3.88 puVolumen =∆
( ) TempF C
VolumenTiempo
LV ⋅
∆=
5885
52025885
lg3.88 3
×=
puTiempo
.74.1 segTiempo =
Area
VolumenSalto
∆=
2
3
lg254
lg3.88
pu
puSalto =
lg35.0 puSalto =
-
8/17/2019 PAPER DE BYPASS A TURBINA
5/7
5
6. MEJORAR EL SISTEMA BYPASS ATURBINA DE ALTA PRESIÓN.
Implementar el control y el sello de laválvula de bypass a
turbina de alta presión puede
ahorrar miles de dólares anualmente en el consumode gas, reducir
drásticamente las emisiones a laatmósfera, implementar la
eficiencia de la turbina devapor.
La válvula de bypass a turbina de altapresión y el desempeño de
estas válvulas afectadramáticamente la línea de generación de las
plantasque ciclan a cualquier grado.
El monitoreo del desempeño en este tipo decomponentes de una
central de generación esimportante, se debe de evaluar el desempeño
de estosy tomar acciones en caso de haber alguna
discrepancia.Es necesario contar con una amplia capacidad
demodulación con una alta presición deposicionamiento de la
válvula. Escatimar en este tipode aplicación puede resultar muy
costoso para laplanta.
La válvula debe contar forzosamente con:
1. Un cierre hermético estable, preciso ydurable para que
el vacío del condensador nodecaiga (esto impactadirectamente la
eficiencia).
2. Varios laberintos reductores de velocidad ypresión del
vapor los cuales mediante etapasdisminuyan el ruido y la velocidad
del vapora turbina.
El actuador de una válvula de bypass a turbina dealta presión
debe de cumplir forzosamente con lossiguientes puntos:
1. Mantener el flujo en el sistema derecalentamiento
mientras la turbinatransfiere de flujo reversivo a flujo directo
yayuda a mantener la presión fijada en laturbina.
2.
Responder rápidamente a los grandes flujosde vapor que pueden
ocurrir en el re-calentador durante transitorios.
3. Contar con un acoplamiento elástico queabsorba la
dilatación térmica del vástagopara que este no dañe el asiento de
la válvulacuando este cerrada. (fugas)
7.- LAZO DE CONTROL.
El único elemento dinámico en un sistema debypass es el
actuador, de el depende una reacciónrápida y un posicionamiento
preciso en el arranque, porlo cual el lazo de control que se tenga
con el actuador
debe tener una gran presición.Muchos de los problemas actuales
que se
tienen con los actuadores es la baja capacidad derespuesta ante
un cambio en la señal de control delcuarto de control, al actuador
le toma tiemposintonizarse con la señal de control y ese tiempo
cuestadinero para su planta. (combustible y rechazo decarga a
turbina).
7.1- POSICIONADORES INTELIGENTES¿QUÉ TAN INTELIGENTES
SON?
Estos dispositivos pueden reducir demanera significante las
fallas en la señal de salida y enel posición del actuador
utilizando complejosalgoritmos de control diseñados para compensar
lasinherentes limitaciones de los actuadores neumáticos.Las fallas
en el posicionamiento se pueden reducir, peroel porcentaje de
reducción depende del grado defricción estática. La cual es muy
grande en actuadorescomo estos que utilizan empaques de
grafito.
La reducción de las fallas en elposicionamiento del actuador y
en el disparo de la señalde control que soluciona el uso de un
posicionador
inteligente tiene un alto precio ($$$$
). El tiempomuerto aumenta a medida que los cambios de
señaldisminuyen (cambios de 2% en la señal toman muchotiempo).
Junto con el tiempo muerto un retraso adicional sepresenta
debido a la función PID (ProgressiveIntegrative Derivative) que
contiene el posicionadorinteligente.
“La estabilidad de un lazo de control essensible al tiempo
muerto; este es el tiempo masdesestabilizante en la dinámica que
envuelve un lazode control. Los actuadores neumáticos tienden
aexhibir el tiempo muerto mientras el posicionadortransfiere
suficiente aire para vencer la fricción ymover el actuador. Esta
tendencia es muy común encambios pequeños de posición los cuales
toman mastiempo en llevarse a cabo de los grandes cambios
deposición” (ANSI/ISA-75.25.01-2000)
-
8/17/2019 PAPER DE BYPASS A TURBINA
6/7
6
7.2- CONTROL DE REXA
Los actuadores REXA (parte mecánica) y sucontrol (parte
electrónica) cuenta con unpotenciómetro lineal montado dentro del
actuador, el
cual envía una señal de retroalimentación de posiciónal control
del actuador. De esta manera forma unsistema de control
retroalimentado.
Sistema de control de lazo cerrado: esaquel en el cual
continuamente se está monitoreandola señal de salida para
compararla con la señal dereferencia y calcular la señal de error,
la cual a su vezes aplicada al controlador para generar la señal
decontrol y tratar de llevar la señal al valor deseado,esto también
es llamado control retroalimentado.
En términos de actuación esto es conocidocomo banda
muerta
7.2- BANDA MUERTA ¿QUÉ TANIMPACTANTE?
Banda Muerta: especifica la máxima diferencia entrela posición
real del actuador y la posición objetivo dela señal de control,
antes de que se inicie un cambioen la posición del actuador.
Otra definición puede ser de acuerdo a laANSI/ISA S750.05
“Control Valve Terminology”pagina 33, también de acuerdo a “Control
Valves –
Practical Guides for Measurement and Control”publicado por la
ISA, pagina 60
Una banda muerta del 2.5% (máximacapacidad de los
posicionadores inteligentes) en unacarrera de 13 pulg. representa
un porcentaje de errorde .33 pulgadas que combinado con el
flujo quemaneja una válvula de bypass a turbina cuando entraen
operación en demasiado flujo no controlado.
Un actuador REXA con su electrónicadedicada y su alta rigidez y
fuerza hidráulica en unpequeño recipiente, tiene una banda muerta
de .05% en una carrera de 13 pulg. representa un porcentaje
deerror de 0.0065 pulg.
REXA son los actuadores con menor bandamuerta existente, y
diseño patentado. Ningún otroactuador en el mundo le puede
dar el control ypresición con el que cuenta REXA, y créanos a
esonos dedicamos.
Fig. 7.1 – Desempeño del actuador electro hidráulicoREXA vs.
Posicionador inteligente.
Fig. 7.2 – Desempeño del actuador electro hidráulicoREXA vs.
Posicionador inteligente.
8.0- AHORRO DE ENERGÍA
Con un actuador REXA se disminuye eltiempo de arranque de la
turbina de alta presión,(aproximadamente 1 hora) cada arranque.
Veamoscuanto ahorramos.
Constantes a considerar para este estudio de ahorro
deenergía.
1. Venta promedio de kwh a consumidores:0.993 pesos
(www.cfe.gob.mx)
2. Venta de Kwh = 0.09
dólares (www.cfe.gob.mx)
3. Costo del millón del BTU = $10 dólares(Departamento de
energía USA)
4. Factor de BTU vs pie= 1,031 BTU/ft3 (Departamento
de energía USA)
-
8/17/2019 PAPER DE BYPASS A TURBINA
7/7
7
8.1- AHORRO EN CONSUMO DE GAS
Una hora menos de operar la dos turbinas degas sin carga (o en
baja carga 20%) representa cercade 11,550.67 m3/hr lo cual
representa420,497,636.59 BTU/hr en gas, a un costo de
10dólares por millón de BTU equivale a $4,205dólares/hr
de gas, y considerando un total de 20arranques por año. Significa
la cantidad de $84,100dólares de gasto en consumo de gas.
8.2- PERDIDAS POR NO GENERAR
Una hora de generación menos a cargacompleta de dos turbinas de
gas de 59 MW y unaturbina de vapor de 82 MW, a aproximadamente9
centavos de dólar/kwh equivale a $ 18,000dólares/hr x 20 arranques
al año. Es una gananciatotal anual de 360,000 dólares que no se
estaobteniendo.
El ahorro anual de energía es de un total de444,100 dólares.
8.0 REFERENCIAS
[1] CYCLING ISSUES IN COMBINED CYCLEPOWER PLANTS – Geoffrey
Hynes Nov 2006
[2] STEAM TURBINE BYPASS SYSTEMS – R.W.Anderson, H. van
Ballegooyen. 2004
[3] RECENT ADVANCEMENTS IN TURBINEBYPASS CONTROL VALVES – J.
Wilson. Octubre2003.
[4] TEST PROCEDURE FOR CONTROL VALVERESPONSE MEASUREMENT FROM
STEP INPUTS– ANSI/ISA – 75.25.01-2000
[5] LOOP OPTIMIZATION – M. Ruel, Top Controls1999.
[6] ELECTRAULIC ACTUATORS OPTIMIZEVALVE RESPONSE – Kevin Hynes.
Julio 1998
[7] CONTROL VALVE HANDBOOK – FisherControls International LLC,
2005.
NOTA:
Las ecuaciones y figuras contenidas en estedocumento son
solamente de referencia..
Si usted tiene alguna duda o desea contar connuestros servicios
puede consultarnos en la
página:www.industriascontrolpro.com
INDUSTRIAS CONTROLPRO SA DE CV
Blvd.. Antonio L. Rodríguez No. 3058Plaza Delphi 4to Piso Desp.
404-B
Col. Santa Maria CP. 64650Monterrey, Nuevo León, México.
Teléfonos: 8183 562 5288183 561 9078183 561 898
hr BTU
m
ft
ft BTU
hr mG 59.636,497,42031.35031,167.550,11 3
3
3
3=××=
hr USDUSD
BTU G hr
BTU
205,4$10$000,000,1
59.636,497,420=×=
USDhr
USDG 100,84$20205,4$ =×=
( )( )( ) USDUSD MW MW V
MW kW 000,18$09.0$000,182592 =××+×=
USDUSDV 000,360$20000,18$
=×=
