04 GT12 Principios de Control en Centrales Termicas

CENTRALES TRMICAS. SISTEMA DE CONTROL ISMAEL PRIETO. MANUELA ALONSO

INDICE 1

CONTROL DE CENTRALES TRMICAS

SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE CENTRALES TRMICAS

NDICE DE MATERIAS

1. INTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DERECIRCULACIN. CALDERAS CON CALDERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1. CONTROL DE COMBUSTIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.1. FORMACIN DE LA DEMANDA DE CALDERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.2. SISTEMAS DE CONTROL DE COMBUSTIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.3. LIMITACIN DEL COMBUSTIBLE POR EL AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.4. CONTROL DE COMBUSTIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.5. CONTROL DEL AIRE DE COMBUSTIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.6. CONTROL DE LA CANTIDAD DE EXCESO DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . 112.2. CONTROL DE LA PRESIN DEL HOGAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.1. CONTROL DE LA PRESIN DEL HOGAR CON

PROTECCIN CONTRA IMPLOSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN . . . . . . . . . 172.3.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN

DE UN ELEMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3.2. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN

DE DOS ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN

DE TRES ELEMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.4. CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO NICO.CALDERAS SIN CALDERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN EN

CALDERAS SIN CALDERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2. CONTROL DE LA RECIRCULACIN DE AGUA EN LA

CALDERA DURANTE LOS PERIODOS DEARRANQUE Y CARGAS BAJAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

SISTEMAS DE CONTROL DE LAS TURBINAS DE VAPOR UTILIZADAS ENCENTRALES TRMICAS

4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1. REGULADORES DE FUERZA CENTRFUGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.1. REGULADOR MECNICO DE FUERZA CENTRFUGA,


INDICE 2

DE TRANSMISIN MECNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.2. REGULADOR MECNICO DE FUERZA CENTRFUGA

DE TRANSMISIN MECNICA-HIDRULICA.CORREDERA DE DISTRIBUCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1.3. REGULACIN SECUNDARIA. DISPOSITIVODE AJUSTE DE VELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.4. REGULADOR HIDRULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2. REGULADORES ELCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5. CARACTERSTICAS DEL REGULADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6. REPARTO DE LA VARIACIN DE POTENCIA DE UN SISTEMAELCTRICO ENTRE LOS TURBOGENERADORESQUE TRABAJAN SOBRE L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

7. UTILIZACIN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LAREGULACIN ELECTRNICA DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

8. PROTECCIONES DE UNA CENTRAL TRMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8.1. PROTECCIONES DEL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA) . . . . . . . . . . . . 58

8.2. PROTECCIONES DE TURBINA: DISPOSITIVOS DE DESCARGAY DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.1. DISPOSITIVOS DE DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.2. DISPOSITIVOS DE DESCARGA DE BAJO VACO . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.3. DISPOSITIVOS DE DESCARGA POR BAJA PRESIN DE VAPOR . . . 618.2.4. DISPOSITIVOS DE DISPARO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.5. DISPARO POR SOBREVELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.6. DISPARO POR FALLO DE ACEITE DE LUBRICACIN . . . . . . . . . . . . 629.2.3. DISPARO POR FALLO DEL COJINETE DE EMPUJE . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.7. DISPARO POR BAJO VACO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.8. DISPARO POR FUNCIONAMIENTO DEL ALTERNADOR

COMO MOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.2.9. DISPARO MANUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

9. LOS SISTEMAS CENTRALIZADOS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10. SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

11. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) Y CONTROLAUTMATA LGICO PROGRAMABLE (PLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

12. SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO (APC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67


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1. INTRODUCCINUn factor esencial en la explotacin de una central trmica de generacin de energa

elctrica, es la necesidad de seguir los cambios de la demanda de carga del sistema a que estconectada.

Al aumentar la demanda de carga de un sistema, ha de aumentarse la potencia que lascentrales estn generando sobre el mismo. Como la electricidad no se puede almacenar en formaeconmica, es preciso producirla al mismo tiempo que se demanda.

El objetivo de la funcin de control de la central es igualar la produccin de energa conla demanda de carga.

El mtodo ms sencillo de control global de la unidad es el modo de caldera sigue aturbina. En este modo, como su nombre indica, la caldera sigue los cambios de carga que seinician, en primer lugar, en las vlvulas reguladoras de la turbina. Por ejemplo, un aumento enla demanda de carga har que el regulador abra inmediatamente las vlvulas de control, dejandopasar ms vapor a la turbina. Esto produce un aumento del caudal de vapor y una disminucinde la presin. El sistema de control de la caldera percibe la disminucin en la presin del vapor,y responde aumentando las entradas de combustible, aire y agua a la caldera. A medida queaumenta el rgimen de estas entradas, se recuperar la presin de vapor y se estabilizar en elpunto de ajuste.

Este mtodo se halla todava en uso en un gran nmero de centrales trmicas antiguas,y permite una respuesta rpida a los aumentos de la demanda de carga.

Una modalidad ms refinada de control de la unidad, mediante la que es posible unaregulacin ms estrecha de la presin del vapor, es el modo turbina sigue a caldera. En estemtodo, se inicia un aumento en la demanda de carga ajustando el rgimen de entrada de aire ycombustible en la caldera. Como resultado, aumentar la presin de vapor en vlvulasreguladoras. El controlador de presin de vapor en el sistema de regulacin de la turbina percibeeste aumento de presin, y abre las vlvulas reguladoras de la turbina para que entre ms vapor.En esta disposicin, la turbina acta como dispositivo regulador de presin para la caldera.

Este mtodo de control, debido a que la caldera responde con relativa lentitud a loscambios de combustin, limita realmente los cambios rpidos de carga.

Frecuentemente se usa una combinacin de los dos sistemas anteriormente descritos,llamada sistema de control integrado o coordinado para proporcionar el control ptimo en launidad. Este mtodo combina los dos anteriores y da una respuesta rpida a los cambios decarga, con una relativa estabilidad de la presin del vapor.

2. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE RECIRCULACIN.CALDERAS CON CALDERNEstudiaremos el control de calderas con recirculacin, es decir, de calderas con caldern.

El principio de funcionamiento de este tipo de calderas se trata en los distintos captuloscorrespondientes al generador de vapor.

En lo que respecta a la regulacin, la caldera con caldern y circulacin natural presentalas siguientes caractersticas a tener en cuenta:


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Figura 1: Esquema de los controles ms importantes de una caldera

- La altura del nivel del agua en el caldern es una magnitud representativa del agua dealimentacin a introducir en la caldera (el caudal de agua debe ser igual al de vapor si sedesea mantener constante el nivel).- El hecho de que el caldern est situado despus de las superficies vaporizadoras y antesdel sobrecalentador, resulta favorable para la regulacin de la temperatura del vapor, yaque esta disposicin hace que las variaciones de caudal de agua de alimentacin ejerzanpoca influencia sobre el caudal de vapor.- Al ser las zonas de sobrecalentamiento fijas (la zona de separacin agua/vapor est

perfectamente localizada en el caldern) y predominar en las calderas el calentamientopor conveccin, la respuesta natural de la caldera respecto a la temperatura estar ligadaa la temperatura y volumen de los gases de combustin, por lo que no se podr alcanzarel set point para cargas inferiores al 40 % o 50 % de la nominal.- Debido al gran volumen del caldern y de las superficies vaporizadoras, la capacidad


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Figura 2: Formacin de la seal de demanda de caldera

trmica de la caldera es grande, lo que permite compensar la inercia del sistema antevariaciones de carga.Estas calderas emplean, para su regulacin, los tipos de controladores expuestos en los

principios bsicos de control.Los cuatro sistemas ms importantes en la regulacin de una caldera con caldern son las

representadas en la figura 1 en la que:

R1 es sistema regulador de la presin de vapor o control de combustin.

R2 es sistema de control de la presin del hogar.

R3 es sistema de control de la temperatura del vapor.

R4 es sistema de control del caudal de agua de alimentacin.


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Figura 3: Sistemas de control de combustin en serie (a) y en paralelo (b)

2.1. CONTROL DE COMBUSTINEl objetivo del control de combustin de una caldera es el de satisfacer la demanda de

vapor de la turbina mediante la regulacin de la cantidad de combustible y aire introducido en

el hogar, para que en todo momento exista un equilibrio entre produccin y consumo,manteniendo unas condiciones de operacin seguras y eficientes.

2.1.1. FORMACIN DE LA DEMANDA DE CALDERASe utiliza la presin del vapor por ser la variable ms representativa del funcionamiento

del sistema, permitiendo al sistema de combustible detectar y anular cualquier desequilibrio entrelas entradas y salidas de la caldera.

Ante un aumento de demanda de vapor de la turbina, el proceso que tiene lugar es elsiguiente:

- Aumenta la apertura de las vlvulas de control de la turbina.- Aumenta el caudal de vapor y se produce una disminucin de la presin. Como se verms adelante, resulta afectado el nivel del caldern.- La respuesta del sistema de control a estas variaciones, ser producir un aumento delcaudal de agua de alimentacin y un aumento del caudal de combustible, provocndosecon ello una liberacin de calor suplementaria. Este calor es suficiente para ocasionar unaumento de la produccin de vapor que equilibre la demanda y restablezca la presin.Aunque la presin de vapor es suficiente por s sola, para detectar desequilibrios en el

sistema, se suele aadir una segunda variable que haga ms rpida la respuesta y que acostumbraa ser el caudal de vapor configurado como una seal de anticipacin (ver apartado de control encascada con anticipacin en principios bsicos de control).

De esta forma se posibilita, durante los cambios de carga, que el combustible y el aire seadapten a la nueva carga, de la cual el caudal de vapor es una perfecta imagen, sin necesidad de


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Figura 4: Diagrama de un sistema de control posicionaldirecto

esperar a que se produzcan errores de presin, siendo stos los que originarn un ajuste finoposterior de la combustin si la cantidad anticipada no fuese exacta.

El diagrama de la figura 2 representa la formacin de la seal indicativa de la carga de

caldera conocida como seal de demanda de caldera. Puede verse cmo a la salida del reguladorP+I, cuya entrada es el error de presin, se le suma la seal de anticipacin constituida por elcaudal de vapor.

2.1.2. SISTEMAS DE CONTROL DE COMBUSTINExisten dos sistemas de control de combustin: sistemas de control en serie (figura 3a)

y sistemas de control en paralelo (figura 3b).

Sistemas de control en serieEn este tipo de sistemas la seal de demanda de caldera origina cambios en el caudal de

aire (variable controlada primaria), que a su vez producen un cambio posterior del caudal decombustible (variable secundaria).

Este tipo de sistemas se emplea en calderas que necesitan subir carga rpidamente ybajarla de forma ms lenta. Lo contrario ocurre cuando es el combustible la variable controladaprimaria. Este tipo de control est limitado a calderas pequeas.

Sistemas de control en paraleloLa seal de demanda afecta simultneamente tanto al combustible como al aire. Es un

mtodo muy comn para cualquier tipo y tamao de calderas.


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Figura 5: Diagrama de un sistema de control en serie con mediciones

El desarrollo de estos sistemas puede realizarse por dos procedimientos fundamentales:el control posicional directo y el control con mediciones de realimentacin.

En el control posicional directo, tal como se puede ver en la figura 4 la seal de demandade caldera posiciona directamente los elementos de alimentacin de combustible y de aire, y lanica realimentacin que existe en el sistema es la de la presin, que modificar la demanda si

la posicin de los elementos finales no hubiese sido la correcta. La relacin entre aire ycombustible se fija mediante la estacin selectora dispuesta para este fin.

En los sistemas de control con mediciones de realimentacin, tal como se puede ver enlas figuras 5 y 6, la demanda de caldera o demandas de combustible y aire, se comparan con losvalores reales medidos de ambas variables, siendo los errores entre demanda y valor instantneolos que, despus de ser tratados en controladores de accin P+I, posicionan los elementos finalescorrespondientes.

Los sistemas de medicin pueden aplicarse a sistemas de control en serie (figura 5) o a


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Figura 6: Diagrama de control en paralelo con mediciones

sistemas de control en paralelo (figura 6), siendo esta ltima combinacin la ms utilizada, alofrecer una respuesta ms rpida entre cambios de carga, ya que las correcciones de combustibley aire se hacen de forma simultanea.

2.1.3. LIMITACIN DEL COMBUSTIBLE POR EL AIRELos sistemas de control que se han visto hasta ahora no garantizan una operacin segura

durante regmenes transitorios, en los que fcilmente pueden crearse condiciones de defecto deaire y por tanto de combustible inquemado y consecuente riesgo de explosin.

Esta situacin puede evitarse mediante una estrategia conocida como de limitacincruzada, un esquema de la cual se representa en la figura 7.

Mediante una selectora de mxima y otra de mnima se consigue un efecto de adelantode aire respecto al combustible en las subidas de carga y otro de retraso en las bajadas.

El selector de mxima elige como salida la mayor entre las seales de demanda decaldera y caudal de combustible, utilizndose dicha salida como punto de consigna para el aire.El selector de mnima lo hace entre la misma seal de demanda y el caudal de aire formando el


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Figura 7: Diagrama de control en paralelo con medicin y limitacin cruzada

punto de consigna del combustible.El sistema est ajustado de forma que las seales que llegan a los electores, en

condiciones de carga estable, sean iguales. Cuando la demanda de caldera aumenta, la seal nopuede prosperar a travs del selector de mnima pero si a travs del de mxima, por lo que el

primero aumenta el caudal de aire y como consecuencia el de combustible. Por el contrario,cuando la demanda disminuye, el punto de consigna para el aire sigue siendo, a travs delselector de mxima, el valor real del combustible, por lo que no disminuye, pero si lo hace elpunto de consigna para el combustible por el selector de mnima. Con este sistema se consiguedisminuir en primer lugar el combustible y el aire disminuir slo despus de hacerlo aquel.

2.1.4. CONTROL DE COMBUSTIBLE


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Figura 8: Diagrama de control de combustible

En la figura 8 se representa la disposicin ms utilizada en Centrales Trmicas conhogares de carbn pulverizado y que adems utilizan fuel-oil como combustible de apoyo.

A la seal de combustible generada como salida del selector de mnima del circuito deseleccin cruzada, figura 7, se le resta la seal de caudal total de carbn para producir lademanda de fuel-oil.

La demanda de combustible se compara con el caudal total de combustible (carbn +fuel-oil). La seal de error del combustible total que se obtiene se le aplica el controlador P+I


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Figura 9 : Diagrama de control del aire con mando directo

en el regulador principal, cuya salida constituye, a su vez, la demanda para cada molino. Estademanda, en los lazos de control de cada uno de los molinos en servicio, se compara con elcaudal de carbn que est saliendo del mismo, constituyndose una nueva seal de error, queser a su vez la entrada del regulador de demanda del molino, que posicionar el elemento final,que puede ser la compuerta de aire de transporte que se introduce en el pulverizador paraarrastrar el carbn hasta el hogar o el variador de velocidad del alimentador, segn el tipo demolino.

Un tratamiento similar se realiza para la demanda de fuel-oil, controlndose la posicin


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Figura 10: Oxgeno en funcin de la carga y prdidas en funcin del exceso de aire

de la vlvula que alimenta a los quemadores.

2.1.5. CONTROL DEL AIRE DE COMBUSTINSe distinguir entre:

- Control del aire con mando directo, empleado en instalaciones en las que lascompuertas de distribucin de aire a cada mechero o grupo de mecheros tienen unaposicin fija. El control (figura 9) acta directamente sobre las compuertas de aspiracinde los ventiladores de tiro forzado para conseguir el caudal de aire demandado enprincipio, por medio de una seal de anticipacin y ajustado posteriormente a su valorexacto mediante el regulador principal de aire, que acta sobre el error entre la demandade aire y su valor real.

Existe una selectora principal desde la cual se puede actuar manual ysimultneamente sobre los dos ventiladores y una selectora para mando individual decada ventilador con posibilidad de cargar ms un ventilador que otro (bias)- Control del aire con mando sobre las compuertas que suministran el aire a losquemadores. En estas instalaciones el control principal de aire se efecta actuando sobrelas compuertas de regulacin existentes en los conductos que suministran el aire a losquemadores. La configuracin es totalmente similar a la estudiada anteriormentenecesitndose, adems, mantener una presin determinada, normalmente en funcin de

la carga, en la impulsin de los ventiladores de tiro forzado.

2.1.6. CONTROL DE LA CANTIDAD DE EXCESO DE AIREEl control del exceso de aire es importante desde el punto de vista de optimizar el

rendimiento de la caldera. En los captulos sobre combustin ya se ha visto como es necesarioun exceso de aire para que tenga lugar la combustin completa del combustible. En primer lugarpara conseguir una buena mezcla entre combustible y aire y en segundo lugar para evitarcondiciones de defecto de aire que provocara una combustin incompleta. El operador debepoder actuar sobre la seal real de aire, hacindola mayor o menor, segn sea necesario bajar o


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Figura 11: Diagrama de control del exceso de aire

subir la cantidad de aire en el hogar, en funcin de la medida de oxgeno que corresponda.La cantidad de exceso de aire necesario es dependiente de la carga de la caldera (figura

10), cuando esta es baja el exceso de aire debe de ser mayor, ya que al ser menor el caudal deaire su velocidad de salida por los quemadores disminuye y la mezcla aire-combustible empeora.

Al quemar con ms aire se contrarresta esta situacin. A cargas altas, el exceso de aire puede sermenor ya que la velocidad es suficiente y en tal caso el exceso debe de aproximarse al valor parael que las prdidas de combustin sean mnimas.

Precisamente el hacer ptimo el exceso de aire es uno de los medios ms efectivos paramejorar el rendimiento de la caldera. Por ejemplo, por cada 1 % de reduccin de exceso deoxgeno en los humos, para altos noveles de ste, se consiguen mejoras de rendimiento del 1 %,aproximadamente, mientras que para niveles de trabajo inferiores al 3 % la misma reduccinorigina mejoras del 0.5 %.

Lo ideal es conseguir que el punto de operacin sea tal, que la suma de las prdidas porcombustible inquemado ms las ocasionadas por prdida de calor en los humos, sea mnima,


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Figura 12: Relacin entre el CO y el O2 en los humos para distintoscombustibles

trabajando en una zona como la sombreada en la parte derecha de la figura 10.Los parmetros ms usados como imgenes de la cantidad de aire en exceso son el

oxgeno y el monxido de carbono contenidos en los humos. Ambas medidas dan informacinsobre el desarrollo de la combustin y cuando se usan combinadas, proporcionan larepresentacin ms fiel de la misma, utilizndose siempre como medida principal la del oxgeno.

El control del exceso de aire, es el primer paso en la optimizacin de la relacin aire-combustible. Con disposiciones como las representadas en las figuras 4 a 8, el operador actar

a travs de una estacin selectora, sobre la seal real de aire, hacindola mayor o menor segndesee bajar o subir la cantidad de aire en el hogar.

El control puede realizarse de forma automtica mediante una disposicin como la de lafigura 11. El punto de consigna para el oxgeno se obtiene en funcin de la seal de caudal devapor, representativa de la carga, segn se indicaba en la parte izquierda de la figura 10. Estepunto de consigna se compara con el valor real del oxgeno medido por un analizador. Al posibleerror se le aplica el controlador P+I, en el regulador de exceso de aire, cuya salida se aplica comoun factor de correccin, dentro de unos mrgenes dados, al caudal real de aire.

Este controlador del exceso de aire es de accin directa, esto quiere decir que aumentarsu salida, y por tanto el factor de correccin si lo hace el oxgeno. Aumenta as el valor de laseal de aire corregida que va a actuar sobre el regulador principal del aire, que, comoconsecuencia, disminuir el caudal real y por lo tanto la concentracin de oxgeno. Si el oxgenodisminuyera, ocurrira a la inversa, aumentando al final el caudal real de aire.

El control de exceso de aire realizado a travs del oxgeno puede complementarse conseales procedentes de la medida del monxido de carbono (CO) contenido en los humos, envirtud de ciertas caractersticas de esta medida que no posee la del oxgeno y que son:

- La medida de CO no se ve afectada de forma importante por las posibles infiltracionesde aire al hogar o conductos, como ocurre con la de O2.


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Figura 13: Control del exceso de aire con influencia del CO

- La medida de CO est relacionada directamente con el combustible sin quemar, por loque puede utilizarse para comprobar que la combustin es completa, con mayor precisinque la de O2.- La cantidad de CO que garantiza que la combustin sea completa est dentro delintervalo entre 150 y 250 ppm; como se puede ver en la figura 12. Por el contrario, elcontenido de oxgeno en los humos necesario para asegurar una buena combustin es

siempre funcin del tipo de combustible.En funcin de estas caractersticas se pueden configurar disposiciones como la de la

figura 13, en la cual se introduce una seal al punto de consigna de oxgeno basada en la medidadel monxido de carbono.

Tambin se puede hacer uso de la medida de opacidad de los humos que salen hacia elprecipitador, que est relacionada con el contenido de partculas de inquemados, aunque es de


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Figura 14: Diagramas de control de presin del hogar

muy baja fiabilidad al depender fundamentalmente del contenido en cenizas volantes.

2.2. CONTROL DE LA PRESIN DEL HOGARMuchas calderas industriales trabajan con el hogar a una presin siempre superior a la

atmosfrica. Los ventiladores de tiro forzado suministran el aire necesario para la combustinde acuerdo con las necesidades marcadas por el control del aire dentro del control de

combustin, no existiendo una regulacin de la presin del hogar, la cual es funcin de la cargay existiendo una proteccin que dispara el combustible al superar un valor determinado depresin.

Otras calderas trabajan con hogares en depresin respecto a la atmosfrica. En este casose utilizan, adems de los ventiladores de tiro forzado que suministran el aire de combustin,otos ventiladores, llamados de tiro inducido, situados despus del hogar y que aspiran los humosoriginados en l. En este tipo de hogares es necesario controlar la presin en un valor fijo eindependiente de la carga actuando sobre las compuertas de aspiracin de los ventiladores de tiroinducido.

La figura 14a se corresponde con un sistema de control de presin clsico de unelemento, mientras que la figura 14b se complementa con una seal de anticipacin que suele


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Figura 15: Diagrama de control de la presin del hogar conproteccin contra implosiones

ser la misma que va a los ventiladores de tiro forzado.

2.2.1. CONTROL DE LA PRESIN DEL HOGAR CON PROTECCIN CONTRAIMPLOSIONES

Presiones muy por debajo de la atmosfrica, pueden originar una implosin del hogar conlos daos consiguientes para la instalacin. La causa ms frecuente de una situacin de este tipo,

es un disparo de combustible que produce una brusca disminucin de la temperatura de los gasesque hay en el hogar, y como consecuencia, una gran cada de presin. Este efecto puede paliarsereduciendo la aspiracin de los ventiladores de tiro inducido en proporcin al caudal de humos


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Figura 16: Respuesta de la presin de un hogar ante un disparo de combustible

existente en el momento del disparo. Una disposicin posible es la de la figura 15 en la que lademanda de presin de los ventiladores de tiro forzado, adems de utilizarse como anticipacinen el lazo de control durante la operacin normal, se emplea como seal representativa de lacarga y por tanto de dicho caudal de humos y a travs de una funcin determinada y del nmerode ventiladores inducidos en servicio, originan, en el momento de la prdida de combustible, unadisminucin de su aspiracin y un posterior aumento hasta el valor original. La seal queproduce estos efectos se introduce en el control despus de las estaciones selectoras de mando,

por lo oque puede tener efecto aun en el caso de que el control se encuentre en manual.

En la figura 16 se representa la disminucin de la presin, en un hogar de carbnpulverizado, que sigue a un disparo de combustible. La curva para el caso de control sinproteccin se representa en trazo grueso mientras que la correspondiente a un control conproteccin se representa en tazo fino.

2.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACINEl objetivo del control del caudal de agua de alimentacin es el de establecer un

equilibrio entre la cantidad de vapor que sale de la caldera y la cantidad de agua que entra. Unamedida de este equilibrio en las calderas de recirculacin, es el nivel del caldern, que debemantenerse constante.

Instintivamente parece que dicho nivel disminuir transitoriamente cuando aumente elcaudal de vapor, sin que el caudal de agua haya tenido tiempo para aumentar. Del mismo modoparecera que el nivel tiene que aumentar al disminuir el caudal de vapor, sin que el caudal deagua haya tenido tiempo para disminuir.

En la prctica ocurre lo contrario: un aumento en la demanda de vapor produce unadisminucin transitoria de la presin de la caldera que permite una expansin del volumen delas numerosas burbujas de vapor contenidas en la mezcla agua-vapor de la zona de vaporizacin,haciendo que el volumen de agua-vapor aumente transitoriamente, incluso aunque disminuya el


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Figura 17: Control de agua de alimentacin deun elemento

caudal de agua de alimentacin.De forma similar, una disminucin en la demanda de vapor origina un aumento en la

presin de la caldera que hace que se contraigan las burbujas de vapor, con lo que disminuye elvolumen de la mezcla agua-vapor y el nivel disminuir transitoriamente aunque el caudal deagua aumente.

El agua de alimentacin a la caldera se puede controlar a travs de la medida del aguadel caldern, del caudal de vapor y el caudal de agua, consiguindose un control ms precisoutilizando los tres elementos de medicin a las vez.

2.3.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN DE UN ELEMENTOEn este caso el control del agua de alimentacin a la caldera se controla a travs de una

sola medicin, la del nivel de agua del caldern. Se utiliza un solo controlador de nivel P+I que

acta segn el error y sobre el elemento final de control con accin integral, para anular el errorresidual propio de la accin proporcional, pero que en este caso amplifica los efectos producidospor la dilatacin y contraccin de las burbujas ya mencionada. En la figura 17 se representa uncontrol de este tipo, utilizado normalmente en pequeas calderas que trabajan con cargas muyestables.


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Figura 18: Diagrama de control del agua dealimentacin de dos elementos

2.3.2. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN DE DOSELEMENTOS

Se trata de un control con seal de anticipacin, en el que el nivel se mide como en elcontrol de un solo elemento, y el caudal de vapor se emplea como seal anticipativa de lademanda de agua, hacindole a este seguir sus variaciones.

Con esta configuracin, que se muestra en la figura 18 se contrarresta la tendencia adisminuir o aumentar el caudal de agua, transitoriamente, como consecuencia de la dilatacin

o contraccin del volumen de la zona de vaporizacin, producida por un aumento o disminucinen el consumo de vapor, como ocurre con el control de un solo elemento.

La realimentacin de la seal de nivel permite, como en todos los casos en los que seemplea la anticipacin, ajustar el caudal de agua a su valor exacto.

De esta manera, de acuerdo con la demanda de caudal de vapor habr una aportacininmediata de agua a travs del controlador secundario de nivel.


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Figura 19: Diagrama de control del agua de alimentacin detres elementos

2.3.3. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN DE TRESELEMENTOS

Se puede conseguir un control ms preciso utilizando tres seales de control tal como semuestra en la figura 19

Se utiliza la misma configuracin de control anticipativo con realimentacin utilizada enel control con dos elementos. Pero lo que en aquel caso era seal de demanda, aqu se convierte

en punto de consigna para comparar con el caudal de agua de alimentacin. El error es la sealque va al controlador que genera la seal de control. Cuando la carga es inferior al 30 %,funciona el control con un solo elemento y cuando es superior a este valor funciona el controlcon tres elementos. La regulacin de tres elementos elimina el fenmeno de oscilacin del nivelde agua que se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rpidamente.


INDICE 1



NDICE DE MATERIAS

2.4. CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO NICO. CALDERASSIN CALDERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN EN CALDERAS

SIN CALDERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2. CONTROL DE LA RECIRCULACIN DE AGUA EN LA CALDERA

DURANTE LOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJAS . . . . 32


21

Figura 20: Caracterstica de un sobrecalentador de conveccin

2.4. CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL VAPOREl objeto de este control es el de mantener en un valor constante la temperatura del vapor

a la salida de la caldera. Generalmente el conjunto de elementos de sobrecalentamiento en unacaldera presenta una caracterstica correspondiente a una trasmisin de calor por conveccin, loque implica que el calentamiento del vapor y por tanto su temperatura de salida aumentar conla carga (ms caudal de humos, ms caudal de vapor). As que ser necesario un enfriamientoimportante del vapor para mantener la temperatura deseada, TS, constante cuando se funcionea cargas altas, mientras que a cargas inferiores ser necesario aportar calor para alcanzar dichatemperatura deseada, segn se muestra en la figura 20.

El control de la temperatura se realiza mediante diferentes mtodos. Los ms importantesson:

- Exceso de aire.- Recirculacin de humos.- Particin del conducto de humos.- Quemadores inclinables.- Atemperacin del vapor.

Los cuatro primeros son actuaciones primarias sobre los elementos a que se refieren yel ltimo, atemperacin del vapor, es el ajuste final mediante inyeccin de agua.

La temperatura del vapor de salida de un sobrecalentador de conveccin puedeaumentarse, a cargas bajas, disminuyendo la absorcin de calor en el hogar mediante un aumentodel exceso de aire de combustin, segn se puede ver en la figura 21, dado que el aire en excesoabsorbera calor en el hogar y por lo tanto los humos llevaran ms calor e iran a mayorvelocidad, trasmitiendo ms calor en las zonas convectivas del sobrecalentador y recalentador.

El mtodo de control de la temperatura del vapor mediante recirculacin de humos es


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Figura 21: Modificacin de la cantidad de calor en humos

Figura 22: Variacin de la absorcin de calor por las distintas superficies con larecirculacin de humos

muy atractivo desde el punto de vista econmico y de operacin. Consiste en volver a introduciren el hogar los humos de salida del economizador (normalmente). La recirculacin de humos


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Figura 23: Efectos de la particin del conducto y de la inclinacin dequemadores

origina una alteracin en la forma en que los distintos componentes de la caldera absorben calor,sin variar a penas el calor absorbido por la caldera en conjunto. El efecto trmico producido porla recirculacin depende de la cantidad de humos recirculados, del punto de reinyeccin en lacaldera y de la carga de la misma. En la figura 22 se representan las variaciones en la absorcinde calor con la recirculacin introducida en la parte baja del hogar. Esta localizacin origina unamarcada reduccin en el calor absorbido por el hogar mientras que incrementa la absorcin quetiene lugar en las secciones de conveccin. La absorcin total de calor permanece prcticamenteinalterada.

En el caso de regulacin por particin del conducto de humos, figura 23a, la trayectoriade salida de stos se divide en dos, una de las cuales est ocupada por la superficie decalentamiento que se desea controlar. La cantidad de calor cedida en sta, se regula mediante elmovimiento de unas compuertas, que, en funcin de su posicin, permiten una variacin en ladistribucin de humos entre los dos conductos. Los humos que no pasan por la zona de la

superficie que se pretende regular, pasan por la otra mitad, que al estar ocupada a su vez porotras superficies de calentamiento de vapor, se ven influenciadas necesariamente por laregulacin que se pretende.

El mtodo de regulacin mediante quemadores inclinables , modifica la forma en queel calor es absorbido en el hogar, ya que desplaza verticalmente la zona principal de combustin.Suele utilizarse en calderas de fuegos tangenciales, se puede ver un esquema en la figura 23b.

La seal de actuacin de cada uno de los elementos con los que se produce la regulacinprimaria de la temperatura del vapor (caudal de recirculacin de humos o reparto del caudal dehumos entre cada uno de los conductos en que se parte el conducto o inclinacin dequemadores), se genera con una configuracin en la que el regulador utiliza el error resultantede la comparacin de la seal de temperatura del vapor recalentado con el set point tal como semuestra en el lazo de control de la figura 24. Es normal introducir una seal que anticipa laregulacin cuando se producen variaciones en la carga, consiguindose este efecto mediante un


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Figura 24: Diagrama del lazo de control de la regulacin de latemperatura del vapor recalentado

derivador situado en la conexin de la seal representativa de aquella. Cuando la seal de erroralcanza un valor prximo al lmite de actuacin del sistema de regulacin de que disponga lacaldera, se permite la entrada en funcionamiento de al atemperacin del recalentado. Tngaseen cuenta que esta atemperacin del recalentado solamente debe de ser utilizada en caso deemergencia. Para ello el limitador de mxima, cuando la seal de error alcanza un valor lmitealto, genera una seal digital que deja pasar la sea de control al regulador del caudal deatemperacin. Mientras no se alcance el lmite alto, la seal que llega al regulador del caudal deatemperacin es igual a cero.


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Figura 25: Diagrama de control de la temperatura del vapor sobrecalentado

En la figura 25 se muestra una cadena de regulacin de la temperatura del vaporsobrecalentado con una configuracin en cascada. La salida del controlador principal detemperatura de salida, Ts, se utiliza como set point para la temperatura de entrada, Te. Elregulador auxiliar que controla esta temperatura ser el que finalmente acte sobre la vlvula deatemperacin.

La funcin del lazo auxiliar es la de detectar rpidamente y compensar las perturbacionesque provienen de los elementos de sobrecalentamiento previos a la zona donde tiene lugar laregulacin.


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Figura 26: Regulacin de la temperatura del vapor sobrecalentado con puntos deconsigna en funcin de las caractersticas del sobrecalentador

Adems se suele introducir una seal anticipativa de la atemperacin cuando se producenvariaciones de carga, consiguindose este efecto mediante un derivador en la conexin de laseal representativa de aquella.

Cuando son dos las zonas de atemperacin hay que interconectar de alguna manera doslazos de regulacin similares al de la figura 25, lo que representa ciertas dificultades como, porejemplo, mantener cada vlvula de atemperacin en su zona ptima de trabajo y evitar que, por


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Figura 27: Control de la temperatura del vapor sobrecalentado en cascada

ejemplo, una est totalmente abierta y la otra cerrada.Existen dos posibles soluciones para estas dificultades: una es que los valores de

consigna de cada regulador, a excepcin del que controla la temperatura de salida, se hacen enfuncin de las caractersticas de transferencia de calor de cada sobrecalentador y otra que todoslos circuitos de regulacin se conectan en cascada de forma que cada uno elabora el valor deconsigna del que sigue.


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Figura 28: Sistemas de control de una caldera de paso nico

Estas dos variantes se ilustran en los diagramas de las figuras 26 y 27. En la primera deellas se representa el sistema el que los puntos de consigna son funcin de las caractersticas decada sobrecalentador, pudindose apreciar en el diagrama de temperaturas como elsobrecalentador final presenta una caracterstica de conveccin y el primario otra de radiacin.

Para que el consumo de agua, Q2, de la segunda inyeccin se mantenga en la zona detrabajo del regulador y de la vlvula, es preciso que el valor de consigna de la temperatura, TS1,antes de la inyeccin de agua de atemperacin disminuya al aumentar la carga.

Con la solucin de reguladores en cascada de la figura 27, la regulacin de la ltima

inyeccin de agua se mantiene en su zona de trabajo manteniendo en un valor constante ladiferencia entre las temperaturas TS1 y TS2 antes y despus de dicha inyeccin. Esto se consiguesumando una seal fija, representativa de una temperatura determinada, por ejemplo 25 C, alvalor de consigna de la temperatura TE2; la suma TE2 + 25 C ser, a su vez, la consigna para latemperatura TS1.

Si por ejemplo, la temperatura del vapor de salida TS2, sobrepasa su valor de consigna seinyectar ms agua al atemperador con el fin de que disminuya TE2 y por tanto TS2. A su vez elpunto de consigna TS1 disminuir en la misma magnitud en que lo haga TE2 lo que obligar a


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inyectar ms agua, tambin en el atemperador 1.

3. SISTEMAS DE CONTROL DE LAS CALDERAS DE PASO NICO. CALDERASSIN CALDERNEn la figura 28 se representan los principales circuitos de regulacin de una caldera de

este tipo. Los controles de combustin de la presin del hogar y de la temperatura del vapor, sonidnticos a los de las calderas con caldern. El circuito R1 regula la presin del vapor controlandola combustin y el circuito R2 la presin del hogar. En los circuitos de regulacin interna se haceuso del mismo tipo de control para la temperatura del vapor R3, pero el circuito R4 que regula elcaudal de agua de alimentacin funciona sobre criterios distintos dada la no existencia de unamedida del nivel de agua. La solucin de la figura 29 es una de las ms extendidas y consiste enmantener siempre una relacin entre el caudal de agua de alimentacin y el caudal de agua deatemperacin.

3.1. CONTROL DEL CAUDAL DE AGUA DE ALIMENTACIN EN CALDERASSIN CALDERNEl control del agua de alimentacin en este tipo de calderas se caracteriza por una

ausencia del control de nivel, que en las calderas con recirculacin suministra la imagen msrepresentativa de las necesidades de agua. El criterio que se utiliza aqu como base del controles el de mantener una determinada relacin entre los caudales de agua de alimentacin y deatemperacin. En este tipo de calderas la variacin del caudal de agua de alimentacin conrelacin a la dosificacin de combustible, produce una regulacin primaria de la temperatura delvapor, consiguiendose, por medio de la atemperacin, corregir las desviaciones que se produzcancon relacin a la temperatura deseada.

Al ser el agua de atemperacin la que en ltima instancia controla la temperatura, sedosifica el caudal de agua de alimentacin para que, dada su relacin respecto al combustible(carga), el vapor adquiera una temperatura tal que el agua de atemperacin, que la va a ajustaral valor de consigna, se mantenga en un valor que permita a la vlvula de atemperacin estar enuna posicin ptima.

En la figura 29 se muestra un esquema simplificado en el que el regulador del caudal deagua de alimentacin recibe una seal de mando representativa del caudal de vapor multiplicadopor un factor igual a la relacin que se desea mantener entre el caudal de agua de alimentaciny el caudal de agua de atemperacin.

De esta forma si, por ejemplo, la seal que se aplica al comparador a travs del calculadorde relacin es del 95 % del caudal de vapor QV existente en ese momento, el caudal de agua dealimentacin QAG ser tambin igual al 95 %, completndose el 5 % restante con el agua deatemperacin.

Este sistema de regulacin da generalmente resultados bastante satisfactorios, peropresenta ciertas imperfecciones durante los regmenes transitorios, imperfecciones que puedencorregirse mediante la introduccin de dos seales representativas de las derivadas del caudalde vapor y de su temperatura a la salida de la zona de vaporizacin segn se representa en lafigura 30.


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Figura 29: Principio de control del caudal de agua dealimentacin en una caldera de paso nico

La primera optimiza el comportamiento de la regulacin en los periodos transitoriosoriginados por variaciones de carga, mientras que la segunda proporciona una anticipacin enla respuesta al detectar cambios en la temperatura debidos a alteraciones en la combustin.

Otro sistema tpico de regulacin del caudal de agua de alimentacin en las calderas sincaldern es el representado en la figura 31 y que constituye una prolongacin natural del sistemade control de la temperatura del vapor de la figura 27, en el que el caudal de la ltima inyeccinse mantiene dentro del intervalo de regulacin manteniendo, a su vez, constante la diferenciaentre las temperaturas del vapor antes y despus de ella, mediante la regulacin e laatemperacin anterior. Este sistema de control puede modificarse en el sentido de que sea elcaudal de agua de alimentacin el que mantenga constante dicha diferencia de temperatura.


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Figura 30: Control del caudal de agua de alimentacin con seales deanticipacin en calderas de paso nico

En la figura 31 se ha representado un sistema con una sola inyeccin de agua deatemperacin situada despus de la zona de vaporizacin. El regulador del caudal de agua dealimentacin recibe una seal de demanda, que es funcin de la carga, corregida en proporcinal error entre la temperatura TE1 y su valor de consigna.

En los sistemas descritos hasta aqu, el rgano final de regulacin est siemprerepresentado pos una vlvula. Ahora bien, en las grandes unidades, con objeto de evitar laprdida de carga que aquella provoca, se utilizan bombas de alimentacin de velocidad variable.


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Figura 31: Control del caudal de agua de alimentacin en cascadacon el de temperatura en una caldera de paso nico

3.2. CONTROL DE LA RECIRCULACIN DE AGUA EN LA CALDERA DURANTELOS PERIODOS DE ARRANQUE Y CARGAS BAJASLa regulacin del agua de alimentacin en las calderas de paso nico, ofrece una

particularidad durante los periodos de arranque y bajas cargas, consistente en el mantenimientode una circulacin de agua en el hogar en un valor mnimo de seguridad que mantenga larefrigeracin del metal de los tubos, aunque la carga de la caldera sea inferior a la que


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Figura 32: Circuito de recirculacin y su control de las calderasde paso nico

corresponde a ese caudal, Este caudal mnimo de seguridad se suele fijar entre el 30 y el 35 %del caudal nominal. La disposicin del sistema de recirculacin y el principio en que se basa laregulacin del caudal se muestran en la figura 32

El sistema de recirculacin utiliza un depsito (botelln) situado a la salida de la zonade vaporizacin, que permite separar el agua y el vapor que llegan a l. El agua, que se separaen el depsito, se hace circular de nuevo hacia el circuito economizador-vaporizadores medianteuna bomba de recirculacin y una vlvula de regulacin situada en la impulsin de sta.

El nivel de agua en el botelln constituye el punto de consigna para el caudal derecirculacin de caldera. Cuando comienza el encendido con el nivel mximo y no hayproduccin de vapor, el caudal a travs del hogar lo suministra la bomba de recirculacin conla vlvula de control abierta al mximo, mientras que las bombas de agua de alimentacin noaportan agua a la caldera y se mantienen recirculando sobre el desgasificador, con objeto demantener el caudal mnimo.


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Figura 33: Relacin entre los caudales de recirculacin y de agua de alimentacin

Cuando comienza a producirse vapor, como las bombas de agua de alimentacin noaportan agua a la caldera, el nivel del botelln baja y el control de recirculacin cerrarproporcionalmente la vlvula de control y el caudal de recirculacin bajar tambin, y comoconsecuencia el caudal a travs de los vaporizadores. En este momento ser el control del caudalde agua de alimentacin el que detectar esta disminucin y aportar agua a la caldera hasta quela suma de agua de alimentacin y la de recirculacin completen el caudal mnimo.

A medida que aumenta la produccin de vapor se repetir el proceso anterior, bajar cadavez ms el nivel de este depsito separador, con lo que la recirculacin cada vez ser menor yesto har aumentar el aporte de agua de alimentacin a la caldera, llegando un momento que larecirculacin sea nula. Esto provocar la parada de la bomba, y todo el aporte de agua serealizar mediante las bombas de agua de alimentacin.


INDICE 1



NDICE DE MATERIAS

4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1. REGULADORES DE FUERZA CENTRFUGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.1. REGULADOR MECNICO DE FUERZA CENTRFUGA,

DE TRANSMISIN MECNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.1.2. REGULADOR MECNICO DE FUERZA CENTRFUGA

DE TRANSMISIN MECNICA-HIDRULICA.CORREDERA DE DISTRIBUCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1.3. REGULACIN SECUNDARIA. DISPOSITIVODE AJUSTE DE VELOCIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.4. REGULADOR HIDRULICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2. REGULADORES ELCTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43


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Figura 34: Ejemplo de simulacin de carga y descarga de una turbina


4. SISTEMA DE CONTROL DE LA TURBINAUna turbina de vapor se mueve impulsada por el vapor producido en una caldera. La

expansin del vapor hace girar el rotor de la turbina transmitindole una potencia. La turbina vaacoplada mecnicamente a un generador, que transforma en potencia elctrica, la recibida de laturbina.

Segn esto, existe siempre un equilibrio entre, la potencia elctrica del generador mslas prdidas, con la potencia aportada por el vapor a la turbina. Este equilibrio se mantiene pormedio de las vlvulas de regulacin, las cuales, dejan pasar ms o menos vapor a la turbina segnsu apertura.


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Figura 35: Disposicin esquemtica de un regulador centrfugo mecnico de transmisin mecnica

La misin de la regulacin de una turbina consiste en posicionar las vlvulas deregulacin (las cuales dejan pasar ms o menos vapor segn su apertura) de acuerdo con lademanda de energa elctrica, para lo cual se utiliza la variacin del nmero de revolucionescomo seal primaria de regulacin. Hay un intervalo de variacin del nmero de revolucionesque se corresponde con el recorrido total de la vlvula de regulacin y en condiciones normales,supone solamente un pequeo porcentaje del nmero de revoluciones nominal.

Supongamos que el generador accionado por la turbina suministra energa elctrica a unsistema, l slo, estando sometido a la totalidad de las variaciones de la demanda. En la figura34 se ha representado el generador por un disco. El disco puede frenarse ms o menos mediantezapatas bajo la presin de un muelle y el grupo turbina-disco adquiere una determinadavelocidad de rotacin (por ejemplo la nominal) al ser arrastrado por la turbina accionada porvapor. Cuando se aflojan las zapatas del freno la energa demandada disminuye por lo que seproduce un aumento de velocidad, y el sistema de control debe de responder posicionando lavlvula de regulacin del caudal de vapor ms cerrada, de manera que se suministre la potenciasolicitada y mantenga la velocidad nominal.

Si se frena el disco aumentando la presin del muelle, aumenta la demanda de potenciay disminuye el nmero de revoluciones, en cuyo caso el sistema de control debe de responder

posicionando la vlvula de regulacin del caudal de vapor ms abierta, de manera que sesuministre la potencia solicitada y se mantenga la velocidad nominal.

El disco que hemos descrito anteriormente, provisto de zapatas de freno y accionado porla turbina, se puede sustituir por un alternador. En este caso la funcin de las zapatas del frenola desempean los motores que toman energa del sistema, los cuales al ser conectados ydesconectados, producen la variacin de la carga del grupo. La posicin de las vlvulas deregulacin y el caudal de vapor tienen que adaptarse a las variaciones de carga. En este casoespecial la turbina no puede cargarse y descargarse por adelantado sino que la carga o descargase deben hacer despus de realizadas las maniobras de los motores.

Aprovechando el hecho de que la variacin de carga del generador, tiene como


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Figura 36: Curvas de estatismo de un regulador centrfugo

consecuencia una variacin del nmero de revoluciones, con objeto de automatizar la regulacin,parece conveniente acoplar el accionamiento de las vlvulas de regulacin con esta variacinde velocidad.

Con este fin se desarroll el regulador de fuerza centrfuga representado en la figura 35.Los reguladores empleados actualmente, difieren constructivamente del regulador de fuerzacentrfuga original, pero se conserva, sin embargo, el principio fundamental, que relaciona laposicin de la vlvula de regulacin con la variacin del nmero de revoluciones.

Para el control de turbina se pueden emplear distintos tipos de reguladores: de fuerza

centrfuga (mecnicos e hidrulicos) y elctricos.

4.1. REGULADORES DE FUERZA CENTRFUGALos reguladores de fuerza centrfuga pueden ser mecnicos o hidrulicos y transmitir su

accin al elemento final (vlvula de vapor) por medios mecnicos, por medios mecnico-hidrulicos y por medios hidrulicos.

4.1.1. REGULADOR MECNICO DE FUERZA CENTRFUGA, DE TRANSMISINMECNICAEl regulador mecnico de fuerza centrfuga, es un regulador, basado en un equilibrio

entre la fuerza centrfuga desarrollada por dos masas al girar y la que opone un resorte que secomprime. Tan como se muestra en la figura 35 est compuesto, bsicamente de un husillo (8)que lleva montados dos pesos centrfugos (2). Este husillo va acoplado al eje de la turbina (6)a travs de un engranaje helicoidal (7).

Cuando el husillo gira accionado por el eje de la turbina, los pesos (2) se desplazan haciafuera por efecto de la fuerza centrfuga y se elevan comprimiendo el muelle (1). El reguladortrabaja elevando el manguito (9) cuando aumenta la velocidad y descendiendo cuandodisminuye.


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Figura 37: Control de la vlvula de vapor mediante regulador centrfugo mecnico de transmisin mecnica-hidrulica

La fuerza centrfuga y la tensin del muelle estn relacionadas entre s. Mediante elcorrespondiente dimensionado de los pesos centrfugos (2) y del muelle (1) se puede determinarel intervalo de revoluciones correspondiente a la carrera del manguito (H). Esta correspondenciaentre velocidad y desplazamiento del manguito, se puede variar, conservando los mismos pesoscentrfugos del regulador, mediante modificacin de las caractersticas del muelle: modificacinde la fuerza por milmetro, de compresin del muelle.

En su forma ms sencilla el mando de un regulador de fuerza centrfuga se basa en elempleo de una palanca (4) basculando sobre la articulacin fija (3).

En uno de sus extremos va dispuesto el manguito (9) del regulador y en el extremoopuesto, el husillo de la vlvula de regulacin (5).

La carrera del manguito (H) corresponde a la carrera de la vlvula (V). El regulador

puede estar diseado de tal modo que para un valor de 3000 rpm, la mitad de la carrera de lavlvula coincida con la mitad aproximadamente de la carga. Una modificacin de la cargaelctrica del generador accionado, produce una variacin de la velocidad que tiene comoconsecuencia una variacin de la posicin del manguito y finalmente de la posicin de la vlvula.El proceso de regulacin finaliza cuando la nueva posicin de la vlvula y el caudal de vaporresultante, corresponden al nuevo rgimen de potencia del generador. Es inevitable que la nuevaposicin de la vlvula corresponda a una nueva posicin del manguito y de las masas y comoconsecuencia a una nueva velocidad. Con el empleo del regulador de la figuras 35, cuyascaractersticas, o curvas de estatismo, se muestran en la figura 36, el turbogrupo alcanza unavelocidad de 3100 rpm con marcha en vaco (carrera de la vlvula V=0 %) y una velocidad de2900 rpm para la mxima carga (carrera de la vlvula V= 100 % max).


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Figura 38: Ajuste de velocidad mediante regulacin secundaria

La diferencia del nmero de vueltas correspondiente al recorrido de la vlvula (V),alcanza en este regulador el valor de 200 rpm.

Si se desea mantener constante este margen de velocidad de 200 rpm, coordinado alrecorrido total de la vlvula, pero entre distintas velocidades, por ejemplo de 3200 hasta 3000rpm, debe aumentarse la tensin inicial del muelle (sin variar su caracterstica). Con ello seconsigue que la posicin del manguito (9) del regulador corresponda ahora a un recorrido de lavlvula del 0 % para una velocidad de 3200 rpm y a un recorrido de Vmax = 100 % para 3000rpm.

La diferencia del nmero de revoluciones coordinada al recorrido total de la vlvula, nopuede variarse regulando la tensin del muelle del regulador. Para ello debe sustituirse dichomuelle por otro de una caracterstica distinta.

La diferencia del nmero de revoluciones coordinada al recorrido total de la vlvula, semide mediante el estatismo o grado de proporcionalidad que se expresa casi siempre en tanto porciento y se puede escribir sin error apreciable d(%) = 100(N1 - N2)/NNOMINAL.

El grado de proporcionalidad o estatismo se puede modificar tambin mediante eldesplazamiento del punto de giro de la palanca del regulador (3) en lugar de actuar sobre lacaracterstica del muelle.

4.1.2. REGULADOR MECNICO DE FUERZA CENTRFUGA DE TRANSMISINMECNICA-HIDRULICA. CORREDERA DE DISTRIBUCINEl regulador mostrado en la figura 35, es de transmisin mecnica entre el propio

regulador y la vlvula de vapor. Normalmente las fuerzas de regulacin que puede vencer unregulador de fuerza centrfuga de transmisin mecnica son muy pequeas, y en la mayora de


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Figura 39: Formacin de la presin de control con un regulador mecnico de transmisin hidrulica

los casos sera imposible vencer las fuerzas del vapor, que actan sobre el obturador de lavlvula, con la simple ayuda de estas fuerzas del regulador. Este es el motivo de introducir lacorredera de distribucin.

Se trata de un elemento hidrulico intermedio cuya misin es la de amplificar laspequeas fuerzas desarrolladas por el regulador.

Tal y como se puede apreciar en el regulador mecnico de transmisin mecnica-hidrulica de la figura 37, partiendo de la posicin MBA de la palanca que une el regulador conel vstago de la vlvula, si se produce un aumento de la demanda, ser seguida por unadisminucin de la velocidad y por tanto de la fuerza centrfuga, se desplazan las masas delregulador centrfugo hacia abajo (posicin de lineas de trazo) la corredera de distribucintambin se desplaza hacia abajo desde su posicin central de equilibrio. Se libera el paso delaceite de mando (conexin 3) a la cmara de aceite (1). Simultneamente se produce una

comunicacin (conexin 4) entre la cmara de aceite (2) y el drenaje de aceite (5). La presindel aceite que se encuentra en la cmara (2) decrece, mientras que la presin del aceite que seencuentra en la cmara (1) crece. El mbolo motriz asciende por la diferencia de presiones delaceite de mando entre sus caras. El movimiento ascendente del mbolo motriz hace que abra lavlvula de vapor y como consecuencia que aumente la velocidad y se eleve el manguito. Lamayor apertura de la vlvula y la posicin ms alta del manguito, hacen que ascienda lacorredera a su posicin central de equilibrio en la cual las conexiones de aceite quedan cerradasnuevamente. El proceso se repite algunas veces hasta que se alcanza la posicin final deequilibrio y la palanca que une el regulador con el vstago de la vlvula queda en la posicinMBA, con una mayor apertura de vlvula (la correspondiente a la demanda) y una menorvelocidad.


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Figura 40: Relacin entre velocidad, apertura del obturador, presin de control y apertura de vlvula

4.1.3. REGULACIN SECUNDARIA. DISPOSITIVO DE AJUSTE DE VELOCIDADLa velocidad conseguida por el regulador es funcin de la potencia: cuando sta aumenta,

la velocidad disminuye y viceversa. A una potencia dada corresponder tambin una velocidaddada. Con una regulacin de este tipo montada sobre un turboalternador que abastezca de formaindependiente a una red, no sera posible mantener un valor constante de frecuencia y susvariaciones seran demasiado importantes como para poder ser toleradas por los consumidores.

Es, por tanto, necesario corregir el resultado de la regulacin primaria, efectuada por elregulador de velocidad, mediante algn otro dispositivo que realice una regulacin secundariay haga retornar la frecuencia a su valor nominal manteniendo la potencia en el valor demandado.

Por otra parte, cuando el turboalternador est acoplado con otros grupos a una redimportante, la velocidad de la turbina es mantenida constante por la frecuencia de la red.

Una forma posible de realizar la regulacin secundaria, es variando la longitud delvstago. Para ello, el vstago est roscado y sobre l desliza un manguito accionado por un motorelctrico, tal como se muestra en la figura 38. La barra que une el regulador con el vstago nose une directamente a ste, si no que lo hace al manguito, de forma que no impida el giro de ste.Al hacer funcionar el motor, en el sentido adecuado, se hace girar el manguito sobre el vstago

roscado, haciendo que dicho vstago suba; al subir abrir la vlvula, aumentar la velocidad ycomo consecuencia el regulador volver a cerrarla hasta la posicin correspondiente a la potenciademandada, pero las masas quedarn en una posicin ms elevada y la turbina con una velocidadtambin ms elevada. Despus de varias maniobras, la velocidad alcanzar su valor nominal yla vlvula la posicin que tena al inicio de la regulacin secundaria (posicin correspondientea la potencia demandada).

La transmisin entre el regulador centrfugo-mecnico y la vlvula puede ser totalmentehidrulica tal como se muestra en la figura 39. En este ejemplo tambin se incorpora laregulacin secundaria, que consiste en desplazar la camisa C mediante el motor M. Tiene laventaja de poder prescindir de articulaciones mecnicas entre los distintos componentes de laregulacin. Las masas del regulador posicionan el obturador A en el interior de la camisa C,dotada de un orificio de drenaje de aceite. el aceite se suministra desde la bomba de aceite decontrol, B, a una determinada presin, controlada por la vlvula 1, a travs de un orificio 2. El


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Figura 41: Regulador hidrulico con transmisin hidrulica

conjunto camisa-obturador constituye un orificio de paso de seccin variable, segn sea suposicin relativa, que puede variarse por la actuacin del regulador sobre el obturador o pordesplazamiento de la camisa por efecto del sistema de regulacin secundaria. Al variar la seccinde paso, se produce un cambio en el caudal de aceite que va al drenaje, originndose un cambioen la presin de aceite de control entre el orificio 2 y el accionamiento de la vlvula. De estaforma se vara la presin de aceite que va al accionamiento de la vlvula, la cual cambiar sugrado de apertura en funcin de esta presin. Tngase en cuenta que en este caso la vlvula decontrol de vapor abre por la accin del aceite a presin que empuja un embolo trabajando contraun muelle: cuanto mayor es la presin del aceite mayor ser la apertura de la vlvula y cunadola presin de aceite desaparece, la vlvula cierra totalmente por la accin del muelle. En la figura

40 se representa la relacin entre la velocidad y la apertura de la vlvula, donde obtenemos lamisma recta de estatismo que en el caso de trasmisin mecnica descrito en el apartado 4.1.1.El desplazamiento de la recta paralelamente a si misma se hace con el sistema de regulacinsecundaria, que cambia la posicin de la camisa y la variacin de la inclinacin de la recta seconsigue variando la caracterstica del muelle del regulador.

4.1.4. REGULADOR HIDRULICOBasa su funcionamiento en la ley de variacin de presin en la descarga de una bomba

de aceite (impulsor), en funcin de su velocidad, cuando el caudal es nulo o muy pequeo.Tal como se puede ver en la figura 41 consta de una bomba de aceite (impulsor) montada

en el rbol principal de la turbina, constituida por una cmara hueca concntrica con el eje sobrela cual estn montados radialmente aletas que forman conductos que descargan en una cmaraconcntrica con la anterior.

La cmara interior est alimentada con aceite desde la bomba principal del aceite. Si se


43

Figura 42: Relacin entre la presin del regulador hidrulico y la velocidad

supone que la cmara de descarga de las aletas radiales no tiene salida, se llenar con el aceiteque se desplaza por dichas aletas por la accin de la fuerza centrfuga generada por la rotacindel rbol, crendose en la misma una presin que depender del nmero de revoluciones de laturbina. La variacin de presin de aceite producida por el impulsor del regulador en dichacmara de descarga, se utiliza para, a travs de un fuelle o de un diafragma sensible a la presin,posicionar el actuador del sistema hidrulico que a su vez posiciona la vlvula de control del

caudal de vapor a la turbina. Lgicamente, en la prctica, el sistema de transmisin no es tansencillo como el mostrado.

La presin en la cmara de descarga del impulsor no vara linealmente con la velocidad,si no que sigue una ley cuadrtica como la mostrada en la figura 42, pero en el rango develocidades comprendidas entre 2700 y 3300, que es la zona normal de trabajo del regulador,se puede considerar como una recta.

4.2. REGULADORES ELCTRICOSSe puede utilizar un regulador, que reciba una seal elctrica representativa de la

velocidad real y otra del punto de consigna deseado. Cuando se utilizan reguladores elctricos,y dado que el accionamiento de las vlvulas sigue siendo hidrulico, es preciso recurrir a unelemento intermedio, convertidor electrohidrulico, entre el regulador y la vlvula, en el que laseal elctrica de control se convierta en una seal de aceite que acte sobre la corredera dedistribucin del accionamiento de las vlvulas de vapor.

Los reguladores elctricos ms utilizados son los reguladores electrnicos, en los que laseal de velocidad consiste en un contador de impulsos que detecta los producidos por una ruedadentada que gira solidaria con el eje de la turbina. Esta seal de velocidad se procesa en uncomputador que a su vez genera las seales de salida que van a los elementos finales. Msadelante se ver con ms detalle el funcionamiento de la regulacin electrnica.


INDICE 1

NDICE DE MATERIAS

5. CARACTERSTICAS DEL REGULADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6. REPARTO DE LA VARIACIN DE POTENCIA DE UN SISTEMA ELCTRICOENTRE LOS TURBOGENERADORES QUE TRABAJAN SOBRE L . . . . . . . . 48

7. UTILIZACIN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LA REGULACINELECTRNICA DE LA TURBINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51


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Figura 43: Regulador centrfugo con indicacin de magnitudes

5. CARACTERSTICAS DEL REGULADORCon objeto de estudiar las caractersticas del regulador utilicemos el representado en la

figura 43, que es ms parecido a los utilizados en los ltimos tiempos, antes de comenzar autilizarse la regulacin electrnica.

El regulador est compuesto por una parte giratoria, compuesta por dos masas simtricasy el soporte de las mismas, y otra parte fija compuesta por el vstago y por el muelle, cuya fuerzase opone a la centrfuga de las masas. El accionamiento de la parte mvil se logra por laactuacin de un tornillo sin fin, solidario con el eje de la turbina, sobre una corona dentadasolidaria con la parte mvil del regulador. Por lo tanto la velocidad de la parte mvil del

regulador es directamente proporcional a la velocidad de giro del eje de la turbina. Las masaspodrn ocupar cualquier posicin entre un radio R0 y el desplazamiento mximo. A este recorridole corresponde el del vstago (o posicin de la vlvula), X, que va desde cero hasta el valormximo de X. De acuerdo con esta descripcin se puede establecer que la fuerza que se ejercesobre las masas del regulador es:


45

(1)

Donde:F = Fuerza que acta sobre las masas del regulador.m = Masa de las masas del regulador.w = Velocidad de giro del regulador.R = Radio de giro de las masas.De la figura 43 se puede deducir:

(2)

(3)

Los desplazamientos en el regulador nunca son grandes por lo que se puede establecer que:

(4)

(5)

Sustituyendo el valor de R de la ecuacin (5) en (1) se tendr para el valor de F:

(6)

Si se representa F (fuerza ejercida sobre las masas) en funcin del desplazamiento delvstago (desplazamiento de la vlvula), para distintos valores de w, tal como se puede ver en lafigura 44, se obtiene una familia de rectas. Esta representacin se hara estableciendo unadeterminada velocidad, que en la figura se expresa como tanto por ciento de la nominal quemantenindola constante, se desplazan las masas entre los extremos de su recorrido y se midela fuerza en cada una de las posiciones. Con esto se tiene la familia de caractersticas de lasmasas del regulador. Para el estudio del funcionamiento del regulador solo ser til la parte delas caractersticas comprendida entre los valores extremos del recorrido del regulador, por lotanto se utilizarn las caractersticas tal como se representan en la figura 45.

Si con objeto de establecer un sistema de regulacin se eligiera um muelle cuyacaracterstica fuera igual a la de las masas a la velocidad nominal (100 %), tendramos equilibrioentre el muelle y las masa en todo el recorrido del regulador, pero aunque aparentementetendramos una regulacin estable para todos los recorridos de vlvula o lo que es lo mismo,todas las potencias de la mquina, en el momento que la velocidad excediera el valor


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Figura 44: Fuerza de las masas en funcin del desplazamiento del regulador para distintas velocidades

correspondiente al 100 %, la fuerza de las masas excedera a la del muelle, la vlvula cerraratotalmente y a continuacin entrara en un proceso inestable. Si por el contrario la velocidaddescendiera por debajo d el valor correspondiente al 100 %, la fuerza de las masas ser inferiora la del muelle, la vlvula abrira totalmente y a continuacin entrara tambin en un procesoinestable.

Se puede establecer una regulacin estable si se elige un muelle con una caractersticaque tenga una pendiente superior a las caractersticas de las masas, tal como la linea gruesarepresentada en la figura 45. En tal caso si se partiendo de un punto, D, de funcionamientoestable a una velocidad igual a la nominal y a una determinada potencia. Si en tal caso lapotencia demandada disminuye, la velocidad tiende a aumentar, supngase que lo hace hasta el101 %, entonces el sistema encontrar un punto de equilibrio en E con las vlvulas ms cerradas,una potencia ms baja (la demandada) y una velocidad superior a la nominal. Aunque se alcanzael equilibrio, es necesario una segunda actuacin para llevar el sistema a la velocidad nominalmanteniendo constante la potencia y como consecuencia tambin la posicin de la vlvula. Estedispositivo puede ser algo que modifique la caracterstica del muelle, en este caso la tensin,trasladando la caracterstica paralelamente a si misma hasta la posicin que ocupa la recta detrazos que pasa por el punto E. Esta segunda actuacin de la regulacin se puede hacer demltiples maneras. Otro ejemplo sera actuando sobre la longitud del vstago. Si se acorta elvstago, para que se mantenga el equilibrio (que la posicin de la vlvula no vare), el valor deX tiene que ser ms pequeo, las masas tienen que estar ms carradas y la velocidad deber de


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Figura 45: Caractersticas de las masas y caracterstica del muelle

ser menor. En el caso de que el desequilibrio hubiera sido producido por una disminucin de

velocidad (aumento de la demanda de potencia) partiendo del punto de funcionamiento estable,D, el equilibrio se habra alcanzado para una potencia ms alta X ms pequeo, vlvula msabierta y velocidad inferior. En este caso la segunda actuacin podra ser el aumento de la

tensin del muelle y el traslado de su caracterstica hacia arriba paralelamente a si misma.Tambin se puede hacer alargando la longitud del vstago, lo que llevara al alcance delequilibrio en una posicin de las masas ms abierta o lo que es lo mismo, a una velocidad msalta.

Si se cambia el punto de vista y se representa la figura 45 como la velocidad en funcinde X, se obtiene una curva que podemos considerar prcticamente recta debido a la pequeadiferencia entre las pendientes de las caractersticas de las masas de la figura 45. Esta


48

Figura 46: Recta de estatismo de regulacin de una turbina

representacin es la linea gruesa que se muestra en la figura 46. Hay que tener en cuenta que laposicin X = 0 corresponde a las masas totalmente hacia dentro, )R = 0, vlvulas totalmenteabiertas, potencia de la turbina mxima y velocidad mnima; y la posicin X = mximacorresponde a las masas totalmente hacia afuera, )R = mxima, vlvulas totalmente cerradas,potencia de la turbina igual a cero y velocidad mxima. Por ello en el eje de abscisas se va autilizar la potencia en lugar del desplazamiento del vstago o de la vlvula. Adems en el eje deordenadas en lugar de utilizar la velocidad se va a utilizar la frecuencia, f, ya que ambas estnrelacionadas por la expresin w = 2Bf. En lo sucesivo utilizaremos la figura 46 como diagramade regulacin. La recta representada en trazo grueso que nos da la frecuencia en funcin de lapotencia de la turbina se llama recta de estatismo.

Si se supone un punto de funcionamiento estable, A, con una frecuencia del 100 % y unapotencia, A ,y debido a una perturbacin, como disminucin de la demanda se pasa a funcionara un punto tal como el B, a una frecuencia del 101 % de la nominal con una potencia B, lasegunda fase de la regulacin debe de llevar la frecuencia a su valor nominal, punto B, sin variarla potencia. Como hemos visto anteriormente esto se puede conseguir disminuyendo la tensindel muelle con lo que la recta de estatismo pasara a ser la de trazos paralela a la anterior.

6. REPARTO DE LA VARIACIN DE POTENCIA DE UN SISTEMA ELCTRICOENTRE LOS TURBOGENERADORES QUE TRABAJAN SOBRE L


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Figura 47: Parmetros que definen el coeficiente de estatismo de una mquina

Si la recta de estatismo es horizontal (pendiente cero), para una determinado velocidadpuede adoptar cualquier potencia, por lo que no es apta para ningn tipo de regulacin(corresponde al caso de que la caracterstica del muelle sea igual a la de las masas). Las rectas

de estatismo, para que la regulacin sea estable, deben ser inclinadas como la mostrada en lafigura 46 precedente. Para caracterizar una turbina mediante su recta de estatismo fijmonos enla figura 47, donde se representan utilizando como variables la potencia, P, y la frecuencia f. Poes la potencia nominal, fo es la frecuencia nominal, )fo el la variacin de frecuencia que seproduce cuando la potencia vara desde cero a Po. Cada mquina se caracteriza por su potencianominal y por su coeficiente de regulacin o de estatismo, d(%):

(7)

En un sistema elctrico en el que se tienen varios turboalternadores generando energaelctrica sobre el mismo, se puede calcular el reparto entre ellos de una variacin de la demandadel sistema, conociendo su potencia nominal y su coeficiente de estatismo.

Para cualquier variacin de potencia, )P, del sistema (puede ser una disminucin o unaumento de la demanda), se producir una variacin de frecuencia, )f, que ser la misma para


50

todas las mquinas del sistema y una variacin de potencia en cada mquina, )Pi , distinta paracada una. Segn la figura 47, se cumplir para cada mquina:

(8)

(9)

De la definicin de coeficiente de regulacin o de estatismo y teniendo en cuenta que lafrecuencia, f0 , es la misma para todo el sistema, se cumplir para cada mquina:

(10)

Por tanto:

(11)

Sumando las variaciones de potencia de todas las mquinas, se obtiene la variacin depotencia del sistema:

(12)

Sacando del sumatorio los trminos constantes:

(13)

Como deben estar establecidas, para cada mquina, su potencia nominal y su coeficientede estatismo, se puede calcular la suma de las relaciones entre potencia nominal y coeficientede estatismo (sumatorio de la ecuacin (13)) de todas las maquinas; como la frecuencia nominaltambin es conocida, de la ecuacin (13) se puede calcular el valor de )f para cualquiervariacin de la demanda, )P. Este valor sustituido en cada una de las ecuaciones (11), da lapotencia absorbida por cada mquina.

De las ecuaciones (11) se deduce que una turbina de generacin de energa elctrica, anteuna variacin brusca de la potencia del sistema, vara ms la suya, cuanto menor sea "d i". En lasturbinas hidrulicas, cuya potencia resulta fcil de variar, se utilizan coeficientes de estatismobajos, comprendidos entre 2 % y 3 %. Las turbinas de vapor, cuya variacin de potencia,requiere variar el rgimen de produccin de vapor, no pueden soportar variaciones rpidas decarga grandes y por eso utilizan coeficientes de estatismo del orden de 5%. Cuando la generacinde vapor es de origen nuclear, los coeficientes de estatismo son mayores, para que estas unidadesse vean poco afectadas por las oscilaciones de la potencia del sistema. En la figura 48 serepresentan rectas de estatismo de diferentes pendientes con la toma de carga que corresponderaa cada unidad en funcin de dicha pendiente. Se ve que a mayor pendiente corresponde unamenor toma de carga.


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Figura 48: Toma de carga de una unidad en funcin de la pendiente de la recta de estatismo

7. UTILIZACIN DE LA RECTA DE ESTATISMO EN LA REGULACINELECTRNICA DE LA TURBINALa recta de estatismo deducida del funcionamiento de un regulador mecnico, se utiliza

igualmente en un regulador electrnico.Una vez que la turbia ha sido llevada a la velocidad nominal y est suministrando

potencia, la regulacin como respuesta a las variaciones de velocidad debidas a variaciones decarga queda en manos de regulador velocidad-carga que funciona de acuerdo con la recta de

estatismo.Consideremos la recta de estatismo segn se muestra en la figura 47. La pendiente de la

recta de estatismo es:

(14)

En lo sucesivo se va a considerar la frecuencia, f, y la potencia, P, en tanto por ciento dela nominal, por lo que P0 = 100 y f0 = 100. La pendiente entonces ser:

(15)

Si llamamos a la potencia o apertura de la vlvula, x, y a la velocidad o frecuencia, y, laecuacin de la recta de estatismo ser:


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Figura 49: Respuesta a una variacin de potencia del regulador velocidad-carga

(16)

(17)

A cada nuevo valor de la demanda, el regulador lleva la mquina a funcionar con unafrecuencia, y, y una potencia, x, segn la ecuacin (17), pero el equilibrio alcanzado correspondea una frecuencia distinta de la nominal. Entonces debe de existir otro lazo de control quemanteniendo la misma potencia (la demandada) o apertura de vlvulas, lleve el valor de lavelocidad a la nominal. Para que el valor de x no vare cuando la frecuencia alcance el valornominal, 100, debe de cumplirse:

(18)

(19)

Cuando fk alcance el valor igual a f'k , el valor de x seguir siendo igual a la apertura devlvulas o a la potencia demandada y el valor de y ser igual a la frecuencia nominal (100). Conello se habr conseguido los dos pasos de regulacin necesarios para funcionar con la nuevapotencia manteniendo la velocidad o la frecuencia en su valor nominal.

Supngase, segn la figura 49, que la demanda de potencia de la mquina pasa de X a X;el regulador har que la frecuencia pase del 100 % , correspondiente al punto A, a lacorrespondiente al punto B. A continuacin debe de entrar en funcionamiento la segunda fase,que cambie la posicin de la recta de estatismo paralelamente a si misma, pasando el


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04 GT12 Principios de Control en Centrales Termicas