Modelación y Análisis de la Respuesta Dinámica del Sistema de Control de Nivel Domo para Calderas Industriales VU 60

Abstract

La modelación y simulación de un generador de vapor se hacen en basealadescripciónde los fenómenos físicos con la ayuda de las ecuaciones diferenciales lineales o no lineales. Las leyes físicas para la modelación son la primera y segunda ley de la termodinámica (modelación del evaporador), y las reacciones químicas asociadas con la combustión (modelo simplificado de combustión). La estrategia de control utilizada en el simulador es de tres elementos para el modelo del control de flujo de agua de alimentación donde el nivel de agua en el domo, el flujo de agua de alimentación al domo, y el flujo de evaporación de la caldera son cada uno de los tres elementos del controlador. Para el control de combustión es utilizada una simplificación del control maestro de caldera, donde se retroalimenta una señal de presión y la cantidad de porcentaje de exceso de oxígeno es considerado constante y se considera que el flujo de aire siempre es suficiente para lograr quemar el combustible.El primer paso dentro de este trabajo fue escalar un modelo de un sistema caldera turbina de 235 MW de capacidad localizada en Texas11, modelado con base a 7 ecuaciones diferenciales no lineales y 27 ecuaciones algebraicas a un modelo de 3 ecuaciones diferenciales y algunas ecuaciones algebraicas Una vez hecha la modelación para este sistema, se simuló la operación del mismo en estado estable a las cargas de 75,107,131, 171, 203,235 MW. Para probar el simulador en estado transitorio se aplicó una rampa a 5 MW por minuto de 235 a 75 MW y se compararon los resultados gráficamente con el estado transitorio. Una vez hecha las pruebas para esta caldera para generación de electricidad, se modificaron los parámetros físicos de la caldera, el rango de presión y demanda de vapor en el cual trabaja, para adaptar el modelo a una de tipo industrial de una capacidad 10 veces menor en producción de vapor. El estudio se realizó en base a la caldera industrial tipo VU-60 fabricada por la compañía Cerrey. Ellos proporcionaron la información técnica de 2 calderas: una de ellas en operación en una planta de Cervecería Modelo de México, y otra más en construcción en Port Dickson, Malasia. Para validar el modelo en este caso, se montó un sistema de adquisición de datos en la caldera en operación, y se registró el desempeño de la caldera durante varios estados estables y se trató de producir aumentos y rechazos de carga que estuvieron limitados por el proceso al cual sirve este sistema. Sin embargo, se obtuvo información valiosa del generador de vapor, con el cual pudimos validar el modelo tanto en estado estable como en estado transitorio para rampas del 3% por minuto. Posteriormente con una nueva base de datos el modelo fue alimentado para simular la operación de loa planta de Port Dickson. A este modelo se le añadió un modelo lineal del sobre calentador, agregando una ecuación algebraica al modelo original. El modelo resultante fue sometido a las pruebas a las cuales fueron sometida la VU-60 II de C. Modelo en campo, además de rampas del 30 al 100 % de carga a 20% por minuto, y viceversa. Además se realizó un análisis de robustez del controlador con base a un diseño de experimentos tipo factorial donde se variaron cuatro parámetros del controlador de tres elementos: Ganancia Proporcional, Ganancia Integral del controlador de nivel, Ganancia Proporcional y Ganancia Integral del Controlador de Flujo de Agua de alimentación y estos se utilizaron como variables de entrada. La salida o índice de desempeño seleccionado es el valor absoluto entre la diferencia entre el nivel mayor alcanzado durante el transitorio y el nivel de referencia.