CONTROL DE UN GENERADOR DE VAPOR DIDÁCTICO...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

CONTROL DE UN GENERADOR DE VAPOR

DIDÁCTICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN

REYNA ANABELL SÁNCHEZ ARANGO FABIAN GONZALEZ MENDEZ

ASESORES M. EN C. RENE TOLENTINO ESLAVA

M. EN C. CARLOS ALBERTO RIVERA GUEVARA

MÉXICO D. F. AGOSTO 2011

DEDICATORIA

DEDICATORIA

DEDICATORIA

Los sueños van más allá del arcoíris Y es que quizás pueda que todo tenga un principio y un final,

puede que al final no sirva de nada luchar, puede que un día despertemos y al abrir los ojos el dolor no exista,

la vida cambia y con ella todo, mantenerse como siempre es lo difícil, porque puedes tenerlo todo y no tener nada, aprende a diferenciar lo realmente importante, a lo largo de la vida las victorias y

las caídas van y vienen solo quien te quiere de verdad permanecerá a tu lado siempre. Date cuenta…… (Autor desconocido).

A Dios.

Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor.

A mis padres

Olivia Arango Reyes y Jorge Sánchez Manzano

Como un testimonio de mi infinito aprecio y agradecimiento por toda una vida de esfuerzos y sacrificios, brindándome siempre cariño y apoyo cuando más lo necesite. Deseo de todo corazón que mi triunfo como mujer y profesionista lo sientan como el suyo propio. Por sus consejos, valores, motivación, fuerza, entrega, perseverancia, amor y Fe.

Con admiración y respeto

A mis hermanos

Erika Belén y Jorge Alberto

Por confiar y creer en mí. “Uno para todos y todos para uno”, siempre juntos los tres mosqueteros.

A familia y abuelos

Por preocuparse por mi futuro y bienestar, por sus consejos y apoyo, y por muchas cosas

más.

A mi colega Fabian

Por trabajar en equipo hombro a hombro, y confiar en los resultados en base a trabajo y esfuerzo.

Maestros.

Por su gran apoyo y motivación para la culminación de nuestros estudios profesionales y

por encontrar en ellos no solo una fuente de conocimientos sino a verdaderos amigos; Carlos Alberto Rivera Guevara, René Tolentino por su apoyo ofrecido en este trabajo; y

por impulsar el desarrollo de nuestra formación profesional, a tos los profesores que intervinieron en mi formación gracias.

Reyna Anabell

DEDICATORIA

DEDICATORIA

A Dios. Por haberme puesto en esta gran familia de la cual no dejo de darle las gracias todos los

días, por permitirme el don de la vida y por dejarme llegar hasta esta meta.

A mis padres

Emiliano González (+), a quien quisiera tener junto a mí para compartir este gran momento de mi vida.

Alejandra Méndez, por su paciencia, compresión y cariño. Ellos han sido y seguirán siendo motivo de orgullo para mí, porque son un ejemplo de

superación.

A mis hermanos

Lucio, Emilio, Hilda, Rosa, Valentín y Edith que me han apoyado en este tiempo tanto en lo económico como en lo moral.

A mis sobrinos

Humberto, Nancy, Mariana, Emilio, pero especialmente a Paola Montserrat y Elías.

A mi amigos y compañeros

Que a lo largo de este camino me han acompañado, por los momentos que pasamos juntos.

A mis Maestros.

Por transmitirme sus conocimientos, especialmente a mis asesores M. En C. Carlos

Rivera y M. en C. Rene Tolentino quienes me guiaron para la culminación de este trabajo.

A Anabell.

Compañera de trabajo, por los momentos buenos y malos que pasamos durante este tiempo.

Fabian Gonzalez Mendez

ÍNDICE

ÍNDICE

RELACIÓN DE FIGURAS i

RELACIÓN DE TABLAS iii

RESUMEN iv

INTRODUCCIÓN v

OBJETIVO vii

CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE GENERADORES DE VAPOR 1

1.1 Generadores de Vapor 2

1.1.1 Principio de funcionamiento de un generador de vapor 3

1.1.2 Clasificación de los generadores de vapor 4

1.2 Componentes de un Generador de Vapor 5

1.2.1 Precalentador de aire 5

1.2.2 Hogar y caldera 6

1.2.3 Sobrecalentador 6

1.2.4 Economizador 7

1.2.5 Equipos auxiliares 7

1.3 Fases Termodinámicas del Agua en la Generación de Vapor 8

1.4 Control de un Generador de Vapor 12

CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DEL MÓDULO GENERADOR DE VAPOR 13

2.1 Identificación y Funcionamiento del Módulo 14

2.2 Equipos del Módulo Generador de Vapor 15

2.2.1 Generador de vapor 16

2.2.2 Quemador 17

2.2.3 Condensador 18

2.2.4 Bomba de alimentación 18

2.2.5 Acumulador 19

2.2.6 Instrumentación 20

2.3 Servicios y Seguridad 22

2.3.1 Servicios del módulo 23

2.3.2 Seguridad del módulo 24

ÍNDICE

2.4 Condiciones de Operación del Generador de Vapor 25

2.4.1 Arranque 25

2.4.2 Operación normal 26

2.4.3 Paro 28

2.4.4 Paro de emergencia. 29

CAPÍTULO III SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN 30

3.1 Identificación de las Variables y sistemas a Controlar 31

3.2 Criterios de Selección de la Instrumentación 31

3.3 Medidores de Flujo 32

3.3.1 Transmisor de flujo másico para gas LP 33

3.3.2 Transmisor de flujo másico de aire 36

3.4 Transmisor de Nivel 38

3.5 Transmisor de Presión 41

3.6 Elementos Finales de Control 42

3.6.1 Válvulas solenoides 42

3.6.2 Válvulas reguladoras 44

3.7 Controlador 46

CAPÍTULO IV PROPUESTA DE CONTROL DEL MÓDULO DIDÁCTICO 49

4.1 Balance Estequiométrico 50

4.2 Estrategias de Control 52

4.2.1 Control de Relación para el circuito aire-combustible 52

4.2.2 Control en cascada para el circuito Presión-Nivel del Condensador 54

4.3 Configuración Física del PLC 58

4.3.1 Fuente de alimentación 59

4.3.2 CPU 59

4.3.3 Módulos de entradas y salidas analógicas 61

4.3.4 Módulos de entradas y salidas digitales 62

4.4 Programación del PLC 63

4.4.1 Bloque de control PID 65

4.4.2 Instrucción de escalamiento SCP 67

4.5 Evaluación Económica del Proyecto. 69

4.5.1 Actividades generales 69

4.5.2 Manejo de personal 70

ÍNDICE

4.5.3 Cotización de horas hombre 71

4.5.4 Costos derivados de la adquisición de la instrumentación 71

4.5.5 Productos entregables o aportaciones 73

CONCLUSIONES 74

BIBLIOGRAFÍA 77

ANEXOS 80

ANEXO A DIAGRAMA DEL MÓDULO GENERADOR DE VAPOR 81

ANEXO B DTI ACTUAL DEL MÓDULO 82

ANEXO C DIAGRAMA DE FLUJO 83

ANEXO E PROGRAMACIÓN EN ESCALERA 88

ANEXO F DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE LA INSTRUMENTACION AL PLC 93

ANEXO G SIMBOLOGÍA DEL DTI 95

RELACIÓN DE FIGURAS

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN i


1.1 Diagrama esquemático de un Generador de Vapor. 3

1.2 Cambio de fase de líquido a vapor. 9

1.3 Diagrama T-v del proceso de calentamiento de agua a presión constante. 11

1.4 Curva de saturación líquido-vapor. 11

2.1 Módulo Generador de Vapor P.A. Hilton Serie S200/00262. 14

2.2 Quemador y ventilador del Generador de Vapor. 17

2.3 Condensador. 18

2.4 Bomba de alimentación. 19

2.5 Acumulador. 19

2.6 Medidores de flujo de gas, agua de alimentación y condensado. 20

2.7 Indicador analógico digital de CO2. 21

2.8 Manómetro (presión de vapor) y vacuómetro (presión del condensador). 21

2.9 Indicador de temperatura. 22

2.10 Lámparas indicadoras. 24

2.11 Interruptores. 26

3.1 Transmisor de flujo másico con indicador Medigas CON-M. 33

3.2 Instalación del transmisor Medigas CON-M. 35

3.3 Transmisor de flujo de aire Fox FT2. 36

3.4 Inserción del transmisor FT2 en la tubería. 38

3.5 Sonda capacitiva de nivel Vegacal 63. 39

3.6 Instalación del transmisor de nivel. 40

3.7 Alimentación de tensión/salida de señal (4 mA a -20mA) de la sonda capacitiva. 40

3.8 Transmisor de presión SEDT FESTO. 41

3.9 Conexión del transmisor de presión SEDT FESTO. 42

3.10 Válvula solenoide de 2 vías normalmente cerrada Neumak. 43

3.11 Instalación de válvulas solenoides. 43

3.12 Válvula reguladora tipo globo 2712. 44

3.13 Instalación de válvulas reguladoras 45

3.14 PLC SCL 5/04 de Allen-Bradley. 47


INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN ii

4.1 Arquitectura de control de la relación aire-combustible. 53

4.2 Esquema de la propuesta de control de la relación aire-combustible 54

4.3 Diagrama a bloques del control en cascada. 55

4.4 Diagrama a bloques del control en cascada de presión-nivel. 56

4.5 Curva de las variables de proceso en función del retardo en la respuesta. 57

4.6 Esquema de la propuesta del control en cascada Presión-Nivel del condensador. 57

4.7 Configuración física del PLC 59

4.8 CPU SCL 5/04 con puerto de comunicación. 60

4.9 Instrucción PID. 65

4.10 Parámetros del bloque PID. 66

4.11 Configuración del bloque de control. 67

4.12 Bloque de la instrucción SCP. 68

RELACIÓN DE TABLAS

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN iii

RELACIÓN DE TABLAS

3.1 Características del Generador de Vapor. 32

3.2 Datos técnicos del transmisor de gas Midegas CON-M. 34

3.3 Datos técnicos del transmisor de flujo de aire Fox FT2. 37

3.4 Datos técnicos de la sonda capacitiva de nivel Vegacal 63. 39

3.5 Datos técnicos del transmisor de presión SEDT FESTO. 41

3.6 Datos técnicos de la válvula solenoide. 43

3.7 Datos técnicos de la válvula reguladora tipo globo 2712. 46

3.8 Datos técnicos del PLC SCL 5/04 de Allen-Bradley. 48

4.1 Señales de entrada. 58

4.2 Señales de salida. 58

4.3 Intervalos de tensión y corriente de las entradas del módulo. 62

4.4 Especificaciones de los módulos E/S digitales. 62

4.5 Valores para la instrucción SCP. 69

4.6 Descripción de actividades generales 70

4.7 Descripción de actividades del personal 70

4.8 Costos mínimos de horas-hombre. 71

4.9 Costo de materiales 72

RESUMEN

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN iv

RESUMEN

En este trabajo se elaboró una propuesta de control para el Módulo didáctico de

Generación de Vapor P. A. HILTON LTD, para el sistema aire-combustible y las

variables Presión-Nivel del condensador, el DTI de las condiciones actuales del

módulo y el de la propuesta de control.

Se identificaron los equipos y componentes que integran el módulo de generación

de vapor, así como las variables y equipos que pueden ser controladas, la cuales

son: sistema aire-combustible, el condensador, flujo de agua de alimentación y

flujo de vapor, de los cuales solo se trabajó con los dos primeros.

Identificadas las variables se seleccionó la instrumentación adecuada al proceso,

integrada por transmisores de presión, flujo y nivel, los elementos finales de

control y el PLC. Posteriormente se obtuvo la estrategia de control de relación

para el sistema aire-combustible y el control en cascada para el condensador.

Estas estrategias de control se programaron en un lenguaje estándar en el PLC.

Finalmente se obtuvo el DTI de la propuesta con un sistema de control que

permitirá en un futuro integrar una interfaz Hombre-Máquina (HMI) en el Módulo.

INTRODUCCIÓN

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN v

INTRODUCCIÓN

Los Generadores de Vapor son equipos con amplias aplicación en la industria, en

la actualidad, los Generadores de Vapor han alcanzado tal desarrollo tecnológico,

que sus eficiencias se sitúan normalmente entre el 80% y el 90%, dependiendo del

tipo de combustible empleado y del uso de equipos de recuperación. La razón de

su uso generalizado es que casi todos los procesos de manufactura requieren de

vapor para la fabricación de sus productos, además de ser un fluido disponible y

económico. Los generadores de vapor suministran energía térmica en alguna

parte de diversos procesos de fabricación.

En México, la tercera parte de la energía eléctrica utilizada a nivel nacional, es

consumida por la industria. Este requerimiento energético demandado por la

industria lo conforman principalmente las calderas, donde se utilizan para la

generación de vapor, el cual se requiere para suministrar trabajo mecánico y calor

a los procesos para su producción. Es por ello que los instrumentos y sistemas de

control son esenciales en todas las instalaciones de generación de vapor para

promover la seguridad, operación confiable y económica de estas instalaciones.

En la presente tesis se propone realizar el Control del sistema de Combustión y

Condensador de un Generador de Vapor Didáctico, mediante un Controlador

Lógico Programable. El Módulo de Generación de Vapor S200/00262 es una

herramienta didáctica teórico-práctica con el que cuenta la carrera de Control y

Automatización de la ESIME Zacatenco, este equipo servirá como aporte a

materias como Modelado de Sistemas, Elementos Primarios de Medición,

Procesos Industriales.

Esta tesis desarrolla una propuesta que traerá consigo el apoyo necesario y

académico a los alumnos de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización,

el cual permita realizar prácticas cubriendo los siguientes aspectos:

INTRODUCCIÓN

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN vi

a) Identificar las variables involucradas en los procesos de generación de

vapor.

b) Verificar que la instrumentación del proceso esté en condiciones de operar.

c) Manipular una plataforma flexible en la que se pueda modificar la

programación del sistema de control.

El correcto funcionamiento de prácticas bajo el esquema anterior permitirá que los

egresados adquieran conocimientos prácticos aplicables a cualquier proceso de la

industria. Al final de este trabajo se pretende aportar el desarrollo del diseño de

una propuesta de instrumentación y control para que el módulo Generador de

Vapor brinde mayores beneficios para la realización de prácticas.

OBJETIVO

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN vii

OBJETIVO

Realiza la propuesta de control del sistema de combustión y condensador de un

Generador de Vapor Didáctico marca P. A. LTD, mediante un Controlador Lógico

Programable.

CAPÍTULO I

FUNDAMENTOS DE

GENERADORES DE VAPOR

En este capítulo se muestra el principio de funcionamiento de los generadores de

vapor, su clasificación y las partes que lo conforman. También se presenta el

comportamiento termodinámico en la generación de vapor y los procesos

controlables de un Generador de Vapor.

CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE GENERADORES DE VAPOR

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 2

1.1 Generadores de Vapor

Los Generadores de Vapor son utilizados en varios sectores industriales, ya que el

vapor es un fluido importante en diversos procesos de industrias como las

refinerías petroleras, industrias químicas, elaboración de alimentos y bebidas,

pero la aplicación más conocida es la destinada a la generación de energía

eléctrica. El vapor presenta muchas ventajas, entre las cuales se pueden

mencionar:

Es estéril, limpio, no toxico y no ensucia si hay fugas.

Tiene excelentes propiedades para transferir calor.

Transmite calor a una temperatura constante que es controlada por su

presión.

Es transportado por la presión generada y es fácilmente controlable.

Sin embargo, el Generar Vapor también presenta algunas desventajas:

El agua utilizada debe de ser tratada para eliminar sus impurezas.

Se tiene un proceso de oxidación debido al oxígeno presente en el agua.

En su obtención se liberan al ambiente gases que contaminan la atmósfera.

La tubería en que es transportado debe tener un aislamiento para evitar la

pérdida de calor.

El Generador de Vapor está puntualizado como el conjunto de sistemas formado

por una caldera y sus accesorios, destinados a transformar un líquido en vapor, a

una temperatura y presión requerida. Un Generador de Vapor está constituido por

una caldera con su hogar, un precaletador de aire, un economizador y un

sobrecalentador.



1.1.1 Principio de funcionamiento de un generador de vapor

El principio de funcionamiento de un Generador de Vapor es muy sencillo: se

requiere evaporar agua y sobrecalentar el vapor obtenido mediante la energía

liberada de una reacción de combustión. La figura 1.1 muestra el esquema de un

Generador de Vapor típico, en esta figura se muestra de manera general los

componentes de un Generador de Vapor.

Figura 1.1 Diagrama esquemático de un Generador de Vapor.

El Generador de Vapor funciona de la siguiente manera:

El agua de alimentación, antes de entrar en el sistema generador de vapor

pasa por un intercambiador de calor denominado economizador, el cual

precalienta el agua, utilizando como fluido calefactor los gases de

combustión.

Después del economizador el agua llega al Domo superior, y de allí,

mediante los tubos de agua accede al domo inferior, donde entra en

contacto con la zona de calor. El propósito de este arreglo consiste en

reducir el volumen de agua y aumentar la superficie que está en contacto

con la fuente de calor obteniendo así una transferencia de calor rápida.

Agua de alimentación

Domo

superior

Domo

inferior

Aire

calienteTubos de agua

Eco

no

miz

ad

or

Sobrecalentador

Toma

de aire

Hogar

Combustible

Aire de combustión

Ventilador de

tiro forzado



Al ascender el agua se va vaporizando en parte, formando una mezcla de

vapor y agua al llegar de nuevo al domo superior donde se separan.

El vapor que sale del domo superior llega a otro intercambiador de calor

llamado sobrecalentador el cual eleva su temperatura para finalmente ser

enviado como vapor sobrecalentado al proceso requerido.

1.1.2 Clasificación de los generadores de vapor

Existen varias formas de clasificación de los generadores de vapor, entre las que

se pueden señalar:

1.-Circulación del agua y los gases calientes en la zona de tubos, se tienen:

Pirotubulares o de tubos de humo. En estas caderas los humos pasan por

dentro de los tubos cediendo su calor al agua que los rodea.

Acuatubulares o de tubos de agua. El agua circula por dentro de los tubos,

captando calor de los gases calientes que pasan por el exterior. Permiten

generar grandes cantidades de vapor sobrecalentado a presión alta y

temperatura alta, se usa en plantas térmicas para generación de energía

eléctrica.

2.-Según la presión de trabajo.

Presión Baja: de 0 kg/cm2 - 2.5 kg/cm2.

Presión Media: de 2.5 kg/cm2- 10 kg/cm2.

Presión Alta: de 10 kg/cm2- 220 kg/cm2.

Supercríticas: más de 220 kg/cm2.

3.-Según su generación.

De agua caliente.

De vapor: saturado o húmedo

Vapor Sobrecalentado.



4.- Según la circulación de agua dentro de la caldera.

Circulación natural: el agua se mueve por efecto térmico.

Circulación forzada: el agua se hace circular mediante bombas.

5.- Por la posición de los tubos se clasifican en.

Verticales.

Horizontales.

Inclinados.

6.- Por la forma de los tubos se clasifican en.

Tubos rectos.

Tubos curvados.

1.2 Componentes de un Generador de Vapor

Un Generador de Vapor emplea para la generación del vapor las materias primas;

agua, combustible y aire. En la producción de vapor, es la manipulación de estas

tres materias las que proporcionan la cantidad y la calidad de vapor en las

condiciones más económicas.

Por lo cual los Generadores de Vapor son tan variados que pueden estar

constituidos por varios componentes para mejorar la calidad del vapor, reducir

costos y eficientar el sistema. Un Generador de Vapor está constituido

básicamente por una caldera con su hogar, precaletador de aire, economizador,

sobrecalentador y algunos equipos auxiliares.

1.2.1 Precalentador de aire

Los precalentadores de aire tienen dos funciones que son: enfriar los gases antes

de emitirse a la atmósfera para mejorar la eficiencia del generador e incrementan

la temperatura del aire que se envía al hogar para la combustión. En el caso de



quemado de combustibles sólidos con un alto contenido de humedad (como la

madera o el bagazo) el uso del precalentador de aire es sumamente importante

para tener una buena combustión y un buen funcionamiento del sistema de

quemado. Las ventajas más importantes de los precalentadores de aire son:

Aprovechamiento del calor que en otra forma se perdería, lo que se traduce

en un aumento del rendimiento del Generador de Vapor.

Mejora la combustión.

Aumenta la producción de vapor.

1.2.2 Hogar y caldera

El hogar es un espacio amplio y cerrado, para la quema del combustible. Una

temperatura excesiva de los humos a la salida del hogar hacia los bancos

tubulares puede provocar una acumulación de partículas en el lado exterior de los

tubos o una temperatura excesiva del acero de los mismos.

Aunque el término caldera comprende el sistema total de generación de vapor, en

una caldera se excluye el economizador, el sobrecalentador, el precalentador de

aire y cualquier otro componente no comprendido en el sistema de circulación

agua-vapor. El tamaño de la caldera depende de la producción de vapor y su

configuración viene determinada por el sistema de combustión, las características

de la ceniza, la presión de operación y la capacidad de generación de vapor.

1.2.3 Sobrecalentador

Se diseña en forma de bancos de tubos alineados para incrementa la temperatura

del vapor saturado; son intercambiadores de una sola fase de flujo cruzado, con

vapor por el interior de los tubos y flujo de gases de combustión por el exterior de

los tubos. Se fabrican con aceros aleados por las temperaturas altas de operación

y están configurados para controlar la temperatura de salida del vapor, la caída de



presión en el flujo del vapor y mantener la temperatura del metal dentro de los

límites aceptables.

El sobrecalentador, está dividido en secciones múltiples, para facilitar el control de

la temperatura del vapor y optimizar la recuperación del calor. El diseño y

ubicación de las superficies (que pueden ser horizontales o verticales), depende

de las temperaturas de salida, la absorción calorífica, las características del

combustible y las peculiaridades del equipo de limpieza del lado de gases.

1.2.4 Economizador

El economizador es un intercambiador de calor de flujos en contracorriente que

ayuda a mejorar la eficiencia, ya que recupera la energía residual de los gases,

incrementando la temperatura del agua del sistema que entra a la caldera del

Generador de Vapor. El banco tubular dispone de tubos en serpentines

horizontales paralelos, con el flujo de agua por el interior de los tubos, en

contracorriente con el flujo de los humos.

El espaciado de los tubos tiene que ser el menor posible para facilitar el

intercambio térmico, la limpieza de la superficie tubular exterior y una caída de

presión baja en el lado de gases. En el economizador no se genera vapor, solo se

incrementa la temperatura del agua de alimentación antes de entrar al Generador

de Vapor.

1.2.5 Equipos auxiliares

Las calderas también cuentan con equipos auxiliares para la generación de vapor,

estos pueden ser:

a) Bomba de agua de alimentación: Para mantener el flujo de agua

necesario de acuerdo a la demanda de vapor. Puede ser operada

manualmente o por medio de un control.



b) Ventilador del sistema de aire: Debe ser regulado en proporción

adecuada al combustible para mantener una combustión correcta.

c) Tanque de retorno de condensados: Es un recipiente que contiene el

agua de alimentación de la caldera y debe de cumplir con las funciones de

mantener una reserva mínima de agua, recuperar el agua de los retornos

de los condensados y precalentar el agua de alimentación a la caldera.

d) Instrumentación y control: Las necesidades de operación en los

Generadores de Vapor para uso industrial exigen el empleo de controles

automáticos e instrumentación adecuada para las variables principales,

como son el flujo del agua de alimentación, nivel de agua en el domo, flujo

de combustible, flujo de aire, temperatura y presión del vapor para

garantizar el funcionamiento del generador bajo las condiciones y

requerimientos especificados.

1.3 Fases Termodinámicas del Agua en la Generación de Vapor

El agua es una sustancia pura debido a que contiene una composición química fija

en todas las fases y su característica principal es la homogeneidad. Al estudiar las

fases o cambios de fase, no es necesario interesarse en la estructura y

comportamiento moleculares de las diferentes fases.

El uso de vapor como fluido se justifica por su gran variedad de propiedades, en

particular porque es económico de producir, además de que transporta gran

cantidad de energía por unidad de masa debido al cambio de fase. En la figura 1.2

se muestra los diferentes estados del cambio de fase de líquido a vapor.

De acuerdo con la figura 1.2, en el estado 1 el agua líquida se encuentra a 20 ºC y

1 atm de presión, en estas condiciones el agua existe en fase líquida y se

denomina líquido comprimido o líquido subenfriado. Se transfiere calor al agua



hasta que la temperatura aumenta, y a medida que esta aumenta, el agua líquida

tendrá cierta expansión.

Figura 1.2 Cambio de fase de líquido a vapor.

Conforme se transfiere calor la temperatura aumentará hasta alcanzar 100 ºC, en

este punto el agua sigue siendo un líquido, pero cualquier aumento de calor

provocará que algo del líquido se evapore. Un líquido que está a punto de

evaporarse recibe el nombre de líquido saturado, que corresponde al estado 2 de

la figura 1.2.

Una vez que empieza la ebullición solo se detendrá hasta que el líquido se

evapore por completo, la temperatura permanecerá constante durante todo el

proceso de cambio de fase, si la presión se mantiene constante. Durante el

proceso de ebullición, el único cambio observable es un aumento en el volumen y

una disminución constante en el nivel del líquido.

A 1 atm y 20 ºC el agua está en fase líquida (líquido comprimido).

A 1 atm de presión la temperatura permanece constante de 100 ºC, hasta que la última gota de agua se evapora (vapor saturado).

A una presión de 1 atm y 1000 ºC el agua existe como un líquido que está listo para evaporarse (líquido saturado).

Cuando se transfiere más calor, parte del líquido saturado se evapora (mezcla saturada de líquido-vapor).

Cuando se transfiere más calor, la temperatura del vapor empieza aumentar (vapor sobrecalentado).



Cuando esté a la mitad de la línea de evaporación el cilindro contendrá cantidades

iguales de líquido y vapor (estado 3 de la figura 1.2), conforme se añada calor, el

proceso de evaporación continuará hasta que la última gota de líquido se evapore.

En ese punto, el cilindro se llena por completo con vapor que está sobre el borde

de la fase líquida, cualquier pérdida de calor causará que algo de vapor se

condense.

Un vapor apunto de condensarse recibe el nombre de vapor saturado. Por tanto, el

estado 4 (figura 1.2), es un estado de vapor saturado. Una sustancia entre los

estados 2 y 4 se conoce como una mezcla saturada de líquido-vapor, debido a

que las fases líquida y de vapor coexisten en equilibrio en estos estados.

Una vez que el proceso de cambio de fase termina, se alcanza una región de una

sola fase (vapor) y una trasferencia adicional de calor resultará en un aumento de

la temperatura así como del volumen específico (estado 5 de la figura 1.2). En el

estado 5 la temperatura del vapor es por dar un valor, 300 ºC; si se transfiere algo

de calor del vapor, la temperatura descenderá un poco pero no ocurrirá

condensación mientras que la temperatura permanezca sobre 100 ºC (en P=1

atm).

Un vapor que no está a punto de condensarse (es decir, no es vapor saturado) se

denomina vapor sobrecalentado, por tanto, el agua en el estado 5 es un vapor

sobrecalentado. El proceso de cambio de fase con presión constante descrito

anteriormente, se ilustra en el diagrama T-v en la figura 1.3.

La temperatura en la que se da el cambio de fase depende de la presión; si la

presión es contante, también lo es la temperatura de ebullición. La razón por la

que el agua empezó a hervir a 100 ºC fue porque se mantuvo la presión contante

de 1 atm (101.35 kPa).A una presión dada, la temperatura a la que una sustancia

pura cambia de fase se llama temperatura de saturación Tsat. Del mismo modo, a

una temperatura determinada, la presión a la que una sustancia pura cambia de

fase recibe el nombre de presión de saturación Psat.



Figura 1.3 Diagrama T-v del proceso de calentamiento de agua a presión constante.

Durante el proceso de cambio de fase la presión y la temperatura son propiedades

dependientes y con una relación entre ellas. La gráfica de Tsat contra Psat, que se

muestra en la figura 1.4, recibe el nombre de curva de saturación de líquido-vapor,

esta curva es característica de todas las sustancias puras. En la gráfica se

observa que la Tsat aumenta con la Psat. En consecuencia, una sustancia a

presiones mayores hervirá a temperaturas más altas.

Figura 1.4 Curva de saturación líquido-vapor.



1.4 Control de un Generador de Vapor

El control de un Generador de Vapor es amplio e incluye la instrumentación, toma

y proceso de los datos. Las variables que se pueden controlar en el proceso de

generación de vapor son:

Nivel de agua en el domo superior.

Flujo de agua de alimentación.

Presión del vapor.

Temperatura del vapor.

Flujo de vapor.

Flujo de aire que ingresa al hogar.

Flujo de combustible.

Los circuitos a controlar en el proceso de generación de vapor son multivariables,

como es el circuito de aire-combustible o el circuito agua-vapor, que a su vez

interactúan con los demás circuitos. Uno de los requisitos más importantes para el

sistema de control es que sea capaz de reconocer los cambios en la demanda de

la carga.

Para ello es necesario conocer las especificaciones y equipos que componen el

Generador a controlar, y de esta manera determinar las estrategias más

adecuadas para su control. La selección de la instrumentación también estará

determinada por las características del equipo, las marcas de fabricantes y la

existencia de los mismos que sirvan para el proceso a controlar.

CAPÍTULO II

DESCRIPCIÓN DEL MÓDULO

GENERADOR DE VAPOR

En este capítulo se describe el funcionamiento del Módulo Generador de Vapor P.

A. Hilton, la identificación de sus componentes y equipos, así como los servicios

necesarios y de seguridad para su correcta utilización. También se describen las

condiciones de operación del Módulo para su arranque, operación, paro normal y

paro de emergencia.

CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DEL MÓDULO GENERADOR DE VAPOR


2.1 Identificación y Funcionamiento del Módulo

Este Módulo es una unidad que incluye un Generador de Vapor de tipo serpentín

continuo que produce vapor sobrecalentado, una unidad de condensación

(encapsulado diseñado en vidrio) con eyector de chorro de agua, una bomba de

agua de alimentación, un depósito de agua (suplementario) y un sistema cerrado

de agua de alimentación. La instrumentación actual del módulo permite la

medición de las magnitudes como son la presión del vapor, temperatura en

diferentes puntos, flujo de agua alimentación, flujo agua de enfriamiento, flujo de

gas y la cantidad de dióxido de carbono.

En la figura 2.1 se muestra el Módulo Generador de Vapor con el Generador de

Vapor y quemador (izquierda.), condensador (derecha.), bomba de agua de

alimentación y su instrumentación. El generador emplea como combustible gas

L.P.

Figura 2.1 Módulo Generador de Vapor P.A. Hilton Serie S200/00262.



El anexo A muestra el diagrama del Módulo Generador de Vapor y el anexo B el

DTI actual, los cuales ayudan a comprender el funcionamiento del mismo. El

proceso de generación del vapor comienza por el hogar, a través de un proceso

de combustión de gas LP que proporciona el calor necesario para evaporar el

agua destilada que alimenta al Generador de Vapor.

El agua de alimentación es presurizada por la bomba de alimentación la cual pasa

a través de un acumulador y de un medidor de flujo antes de llegar al Generador

de Vapor. El agua destilada pasa a través de los serpentines del Generador de

Vapor donde se lleva a cabo la transferencia de calor por convección.

Al salir el vapor del Generador circula por la tubería principal que lo transporta

hasta llegar a la válvula de aislamiento bloqueable que es una conexión a otras

unidades y a la válvula de derivación que permite el ingreso del vapor al

condensador para tener un ciclo cerrado. En el condensador también hay una

transferencia de calor por convección para condensar el vapor, y de aquí inicia

nuevamente el proceso para generar vapor.

2.2 Equipos del Módulo Generador de Vapor

Los equipos que componen el Módulo Generador de Vapor son parte importante

para el proceso de generación del vapor, este Módulo cuenta con los siguientes

equipos:

Generador de Vapor.

Quemador.

Condensador.

Bomba de agua de alimentación.

Acumulador.

Instrumentación.



2.2.1 Generador de vapor

Este es de tipo “serpentín continuo” o “de paso único”, en el que la superficie de

transmisión de calor tiene la forma de un solo tubo. En este Generador el tubo

está formado por serpentines en forma de espiral horizontales planos que se unen

para formar una solo extensión de tubos.

El agua es impulsada mediante la bomba de alimentación a través de los

serpentines y los gases calientes provenientes del proceso de combustión fluyen a

través de los espacios existentes entre los serpentines para incrementar la

temperatura del agua y vaporizarla. Cuando el agua ha alcanzado la salida del

último serpentín se encuentra como vapor sobrecalentado, según las condiciones

de funcionamiento.

Esta clase de equipos tiene un contenido de agua muy bajo, lo que permite al

vapor producirse muy rápidamente a partir de condiciones de temperatura baja,

respondiendo dinámicamente a los cambios de combustión. Al no existir un

recipiente grande a presión que contenga vapor y agua a presión alta, el riesgo de

que se produzca una explosión es inexistente. Sin embargo, no debe permitirse

que el generador funcione sin un adecuado abastecimiento de agua de

alimentación ya que ello causaría el sobrecalentamiento de los tubos.

Una válvula de retención (válvula antiretorno) se acopla a la salida del primer

serpentín, y al abandonar el último serpentín el vapor pasa a un distribuidor

provisto de una válvula de seguridad, un indicador de paro por temperatura alta y

medidores de presión y temperatura. En la cubierta existe una sonda de gas de

combustión dentro del tubo, y un sensor de temperatura ambos acoplados al tubo

de salida de humos.

Es posible controlar la calidad de vapor producido que puede variar, de

sobrecalentado a saturado, esto dependerá directamente de la presión y



temperatura; para lo cual se requiere un caudal de agua de alimentación y la

cantidad de calor adecuada a la carga. Se puede producir vapor a una presión

máxima de 10 bar y 220 ºC, a un flujo de 7.5 kg/h.

2.2.2 Quemador

En la figura 2.2 se observa el quemador que se encarga de mantener la

combustión en el hogar, esté tiene una forma cilíndrica forrada con fibras

cerámicas aislantes. Los gases calientes ascienden desde el quemador y fluyen a

través de los serpentines del generador de vapor. El aire primario que se produce

del ventilador, se mezcla con el gas combustible y con ayuda del piloto se genera

una llama. El aire suplementario, controlado por una compuerta radial en la base

del hogar propaga la llama.

Figura 2.2 Quemador y ventilador del Generador de Vapor.

El quemador tiene una llama auxiliar provista de un dispositivo de apagado de

llama que interrumpe el paso del flujo de gas a la cámara de combustión principal

a menos que la llama auxiliar se encienda. Este dispositivo contribuye a la

seguridad del quemador si el suministro de gas o de electricidad falla.

Ventilador

Quemador



2.2.3 Condensador

El condensador es una cámara con paredes de vidrio templado provista de un

serpentín de refrigeración de agua, como se aprecia en la figura 2.3. El

condensador dentro del generador de vapor cumple cuatro funciones importantes:

a) Actúa como depósito de agua de alimentación (esto es, como un pozo de

condensado o tanque de alimentación).

b) Condensa cualquier vapor producido que exceda del requerido por una

unidad conectada al Módulo.

c) Transmite calor y permite un balance energético del Generador de Vapor.

d) Recibe el agua de condensación.

Figura 2.3 Condensador.

2.2.4 Bomba de alimentación

La bomba de alimentación (figura 2.4) es de simple efecto (de desplazamiento

positivo), y succiona el agua del condensador en donde se tiene una presión de

vacío y la impulsa al Generador de Vapor a través de un acumulador, una válvula

de mando de alimentación y un medidor de flujo.



Figura 2.4 Bomba de alimentación.

2.2.5 Acumulador

La figura 2.5 muestra el acumulador el cual es un dispositivo automático de caudal

regulable acoplado a una válvula de retorno. Cumple con las siguientes funciones:

a) Convertir en un caudal uniforme de agua de alimentación el caudal

fluctuante producido por la bomba de alimentación de simple efecto.

b) Volver a descargar el agua sobrante en el condensador cuando la cantidad

de agua requerida por el generador de vapor sea menor que la

implementada por la bomba de alimentación.

Figura 2.5 Acumulador.



2.2.6 Instrumentación

La instrumentación con la que cuenta el Módulo Generador de Vapor es la

siguiente:

Tres medidores de flujo:

Rotámetro para medir el flujo de gas combustible con un intervalo de 800

cm3/min a 4000 cm3/min.

Medidor de flujo de agua de alimentación desde 20 cm3/min hasta 280

cm3/min.

Rotámetro para el agua de enfriamiento con un intervalo de 4 gal/s a 50

gal/s.

En la figura 2.6 se observan los medidores de flujo del Módulo didáctico.

Figura 2.6 Medidores de flujo de gas, agua de alimentación y condensado.

Válvula de descarga rápida. Válvula de resorte manual que descarga el vapor en

el condensador.



Contador de CO2 digital con indicador de CO2 (figura 2.7).

Figura 2.7 Indicador analógico digital de CO2.

Manómetros: En la figura 2.8 se muestran los manómetros del Generador de

Vapor y el condensador, con un intervalo de 0 bar a 16 bar manométricos

(Generador de Vapor) y de -1 bar a 1bar (condensador).

Figura 2.8 Manómetro (Generador de Vapor) y manovacuómetro (condensador).



Indicado de Temperatura digital que muestra la temperatura de termopares tipo K

instalados en diferentes partes del Generador de Vapor (figura 2.9).

Figura 2.9 Indicador de temperatura.

Control manual de:

Caudal de combustible.

Caudal de agua de alimentación.

Caudal de agua de enfriamiento.

Extracción de aire.

Presión de vapor de la válvula de descarga.

2.3 Servicios y Seguridad

Otros datos importantes que se tienen que tomar en cuenta son los servicios

necesarios que requiere el Módulo Generador de vapor, así como los dispositivos

con los que cuenta para garantizar la seguridad durante su funcionamiento.



2.3.1 Servicios del módulo

Los servicios que requiere el Módulo Generador de Vapor para su operación son:

1. Alimentación Eléctrica.

200 W, 220/240 V, monofásico, 50 Hz.

200 W, 120/120 V, monofásico, 60 Hz.

2. Agua de enfriamiento.

Flujo continúo de 5 L/min y 25 m de altura piezométrica.

Flujo intermitente 25 L/min con 25 m de altura piezométrica para accionar el

eyector de agua.

3. Agua destilada. 1 litro de agua por cada 10 horas de funcionamiento para

alimentar el depósito de agua.

4. Conducto de humos. Los gases de la combustión del Módulo (a unos 190 °C)

son producidos a la misma velocidad que en un gran quemador de gas, puede

existir un exceso de CO de 100 ppm de aire reducido suplementario. A menos

que el Módulo sea instalado en un lugar permanentemente bien ventilado, los

gases de combustión deberán ser canalizados hacia el exterior del edificio.

5. Combustible Gaseoso. Principalmente butano, propano o mezcla de estos de

28 a 30 mbar. El consumo de gas es aproximadamente de 0.6 kg/h.

6. Sistema de alimentación. Sistema de alimentación cerrado con bomba

aspirante e impulsora, acumulador con válvula de retorno y depósito de agua

de relleno, flujo máximo aproximado de 3.5 cm3/s.



2.3.2 Seguridad del módulo

La seguridad es importante, por ello el Módulo Generador de Vapor cuenta con

una serie de dispositivos, y unas lámparas indicadoras (figura 2.10), que

contribuyen a una operación y funcionamiento más seguros. Algunos de los

dispositivos de seguridad son:

a) Válvula de seguridad que descarga vapor si la presión excede los 10 bar.

b) Interruptor de presión alta de vapor que opera a una presión aproximada de

9.5 bar, apagando el quemador y se restablece a 8.5 bar.

c) Un termopar que detecta la temperatura de los gases de combustión, si se

produce una disminución en el agua de alimentación, la temperatura se

eleva y apaga el quemador

d) Si la temperatura del vapor al salir del generador y si ésta alcanza los 225

ºC, un controlador apaga el quemador.

e) El quemador tiene una llama auxiliar provista de un dispositivo de apagado

de llama que interrumpe el paso del gas al hogar en caso de fallar el

suministro de gas o de energía eléctrica.

f) Una válvula de seguridad localizada en el condensador.

Figura 2.10 Lámparas indicadoras.



2.4 Condiciones de Operación del Generador de Vapor

2.4.1 Arranque

Para llevar a cabo el arranque correcto del Módulo se considera lo siguiente.

Suministro de electricidad: Comprobar que la tensión eléctrica que requiere el

Módulo es de 200 W, 120/120 V, monofásico, 60 Hz, (tierra) o 200 W, 220/240 V,

monofásico, 50 Hz (tierra).

Agua de enfriamiento: Cerciorarse que se tenga agua de alimentación para

enfriar el condensador. Verificar el flujo en el rotámetro, el cual debe de tener un

gasto fijo posible de 10 gal/s. Asegurarse que el tanque con agua destilada cumpla

los límites de nivel inferior con un flujo de agua destilada que debe ser de 40

cm3/min.

Suministro de gas: Revisar la alimentación de gas LP en el rotámetro (control de

flujo de combustible, gas LP), teniendo seleccionado un flujo mínimo esto es al

iniciar el encendido del quemador por primera vez para lograr el encendido, de lo

contrario con mayor flujo de gas no encenderá. Verificar que la llave de paso del

combustible esté abierta (parte posterior del equipo).

Válvulas de conexión a otras unidades: Asegurarse que la válvula de

aislamiento “Vapor a otras unidades” esté cerrada y bloqueada y que la tapa de

cierre esté en su lugar. Así mismo asegurarse que la válvula “retorno de otras

unidades” esté cerrada.



2.4.2 Operación normal

Cumpliendo con los requerimientos anteriores se procede a arrancar propiamente

el equipo encendiendo los interruptores de los quemadores principales (“Burner-

Mains”), figura 2.11.

Figura 2.11 Interruptores.

Es importante suministrar poco a poco el combustible, girar media vuelta la perilla

del rotámetro del gas combustible (“fuel gas”) y presionar una vez el botón blanco

del control del quemador (“burner control”). Al presionar el botón este da lugar a

encender el piloto del quemador y a generar una chispa. Una vez que enciende el

quemador se prenderá una luz naranja situada debajo del botón blanco. Después

se sitúa el indicador de temperatura en la posición No. 2.

Por cuestiones de construcción del sistema de encendido para el quemador, se

deben de cumplir las siguientes recomendaciones, ya que se requiere un

precalentamiento del agua de alimentación, la cual debe de ser destilada.

Proporcionar gas combustible del rotámetro de alimentación con un flujo mínimo

(800 cm3/min), posteriormente regular la entrada de aire en el ventilador, para

permitir el inicio de encendido en el quemador por primera vez, este tiene que

restringirse aproximadamente al 80% hasta alcanzar una temperatura de 90 ºC a

100 ºC, después de esta temperatura, se podrá aumentar la alimentación de gas y

abrir al 100% la alimentación de aire de combustión.



Ajustar rotámetro de alimentación de agua a 40 cm3/min (control de agua de

alimentación, “feed water control”) que proporciona la bomba de simple efecto.

Verificar que el condensador tenga el nivel indicado de agua condensada, si no la

tiene asegurarse que el tanque de agua destilada contenga agua. Para

proporcionar agua destilada se gira la válvula “make up”.

Observar que la temperatura de la presión de vapor del generador se incremente,

visualizándose la misma en el indicador de temperatura, se debe alcanzar un valor

de 220 °C y el valor limite es de 90 °C, la presión como lo indica el manómetro

medidor de la presión de vapor alcanza los 800 kN/m2.

El manómetro de presión de descarga del condensador (“dump condenser

presure”) debe marcar un máximo de 10 kN/m2, la válvula de descarga (“dump

valve”), debe tener un 30% de apertura para visualizar la presencia de vapor en el

depósito de descarga del condensador (“dump condenser”). Así mismo el depósito

debe tener un nivel de agua condensada, cuando la presión de vapor en el mismo

se regula por medio de la válvula de descarga.

Método de purga: cuando el agua condensada rebase el nivel del depósito:

1) Abrir la válvula de desagüe.

2) Abrir llave de paso manualmente y ligeramente girar la válvula de desahogo

que se encuentra en la parte superior del depósito, por gravedad se drena

el agua excedente.

Este equipo, consta de varios dispositivos de seguridad mediante sensores y

válvulas de seguridad ajustadas; a cierta presión, acorde a las condiciones de

diseño. Estos sensores, cuando se genera una sobrepresión de vapor, falta de

agua destilada, ausencia de agua de enfriamiento, exceso de temperatura en los

gases de combustión y del vapor o de posibles fallas de operación se enciende



una alarma (luz de color rojo), provocando que el quemador principal de la caldera

se apague, y no permita su encendido hasta corregir la falla y restablecer las

condiciones propicias para su operación.

a) Temperatura del vapor. Se recomienda verificar la cantidad de agua

destilada alimentada, se reenciende con temperatura mínima adecuada.

b) Presión del vapor. Cuando se presenta esta alarma, los manómetros, de

presión del generador y la cámara de condensación, presentan lecturas

arriba de las ajustadas, para corregir esta alarma es necesario liberar la

presión de vapor con la válvula de descarga ubicada en el depósito “dump

condenser.

c) Presión de condensador. Esta alarma se activa cuando el vapor de agua

condensada en el depósito (“dump condenser”), excede la presión límite, o

bien cuando carece de agua en este depósito, asimismo también cuando

tiene un flujo de agua de enfriamiento bajo.

d) Agua de alimentación. Esta alarma se activa cuando el tanque de agua

destilada queda vacío o tiene nivel muy bajo, cuando la bomba de simple

efecto no manda agua con suficiente presión al Generador de Vapor o tiene

poca alimentación al rotámetro “feed meter”.

Para detener la operación que realiza este módulo se deben de realizar las

siguientes actividades:

2.4.3 Paro

a) Presionar el botón rojo del controlador del agua para apagar el quemador.

b) Girar la válvula de descarga hacia la izquierda.

c) Dos minutos después, cerrar la llave del agua de refrigeración.

d) Desconectar de la red eléctrica y cerrar el flujo de gas del cilindro.



2.4.4 Paro de emergencia.

En caso de que se requiere parar la operación del módulo de forma emergente,

esta se realiza con los interruptores de los “quemadores principales”,

presionándolos simultáneamente para desenergizar todo el Módulo y se procede a

realizar el cierre manual de las válvulas de alimentación de combustible (gas), y

válvulas de dren y desahogo del condensador.

CAPÍTULO III

SELECCIÓN DE LA

INSTRUMENTACIÓN

En este capítulo se identifican las variables a controlar del Módulo Generador de

Vapor; así como los criterios de selección de la instrumentación. Se seleccionan

los transmisores de flujo, presión, nivel; elementos finales de control y el PLC.

CAPÍTULO III SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN


3.1 Identificación de las Variables y sistemas a Controlar

Para realizar el control del Módulo Generador de Vapor se deben identificar las

variables que juegan un papel importante en la obtención de carga requerida. Las

variables que se ven involucradas en este proceso de Generación de Vapor son:

1. Flujos de aire y combustible en el hogar del Generador de Vapor.

2. Presión y nivel del condensador.

3. La temperatura y presión de vapor.

4. Flujo de agua de alimentación.

5. Flujo de Vapor.

Identificadas las variables se puede ver que elaborar una propuesta de control no

es una tarea fácil, dado que se ven involucradas un considerable número de

variables. La propuesta de este trabajo es abordar cada una de forma

independiente para que al final se asocien y se obtenga un control conjunto, el

cual haga que el Módulo Generador de Vapor trabaje en condiciones óptimas,

prácticas, y sencillas.

Por lo que se decidió trabajar solamente con las 2 primeras que son el flujo de aire

y flujo de combustible del hogar del Generador y la presión y nivel del

condensador.

3.2 Criterios de Selección de la Instrumentación

Mediante la instrumentación se mide controlar y/o registra las variables del

proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados. La instrumentación

permiten verificar lo que está sucediendo en el proceso; para determinar si éste va

encaminado hacia el resultado previsto, si no es así se actúa sobre algunos

parámetros del sistema de forma correctiva.



La instrumentación ha permitido la automatización de los procesos industriales y

esto se logra a través de elementos que censan el proceso, para tomar una acción

de control pre-programada que actué sobre el sistema. Es por ello que se realiza

la selección de la instrumentación atendiendo solo a los requerimientos del control

aire-combustible en el hogar del Generador y el control de presión y nivel del

condensador cumpliendo con las características de operación del proceso de

generación de vapor, mencionadas en el capítulo anterior y que se muestran en la

tabla 3.1 junto con algunos otros datos importantes.

Tabla 3.1 Características del Generador de Vapor.

Presión De vapor de 10 bar (máxima)

De operación 6-8 bar

Del condensador 0.15 bar (máxima)

Temperatura

De vapor 220 ºC (máxima)

190 ºC – 200 ºC

Tubería

De gas para el quemador ½”

De gas para la llama auxiliar ¼”

De agua todo el Módulo ½”

De distribución al condensador ½”

De distribución de vapor ½”

Gas LP Mezcla de propano-butano, 60% y 40% respectivamente.

Consumo de gas aproximado de 0.6 kg/h.

Ventilador Aire primario, de 3” de diámetro.

3.3 Medidores de Flujo

De acuerdo al arreglo que tiene el sistema aire-combustible del Módulo Generador

de Vapor se emplearán dos instrumentos de medición de flujo para su control y

monitoreo, los cuales son:

1. Medidor de flujo másico para gas LP.

2. Medidor de flujo másico de aire que ingresa al hogar.



3.3.1 Transmisor de flujo másico para gas LP

Tomando en cuenta el funcionamiento, operación y especificaciones del módulo;

se determinó elegir un transmisor de flujo para gas LP el cual permita medir y

verificar su consumo, así como el control de éste. En la figura 3.1 se muestra el

transmisor Midegas CON-M seleccionado.

Figura 3.1 Transmisor de flujo másico con indicador Midegas CON-M.

Es un equipo que se emplea para verificar el funcionamiento de ahorradores de

gas magnéticos o aditivos químicos. Es más exacto que los medidores de flujo

tradicionales, ya que mide masa independientemente de la presión y temperatura

del gas LP, por lo que no es necesaria la compensación.

El MIDEGAS CON-M es un medidor másico electrónico para gas en estado

gaseoso o vapor de alto desempeño, larga duración, bajo mantenimiento por no

tener partes móviles y buena exactitud, permite medir y verificar consumos de gas

directamente en kilogramos siendo por esto inherentemente más exacto que los



medidores volumétricos que varían su medición de acuerdo a la presión,

temperatura y tipo de gas (mezcla, propano o butano).

Su instalación es rápida y sencilla en cualquier tubería de gas LP, ya que la

entrada y la salida están en línea recta. Hay medidores en varias capacidades

para adecuarse al consumo que se desee medir. Muy útil para calcular costos por

área y por máquina (hornos, secadoras, calderas, etc.) y para hacer uso eficiente

del gas. En la tabla 3.2 se muestran los datos técnicos de este transmisor de gas

LP Midegas CON-M.

Tabla 3.2 Datos técnicos del transmisor de gas Midegas CON-M.

Datos técnicos

Registro electrónico Pantalla de cristal líquido y opción con salida de 4 mA a 20 mA

o 0V a 5 V.

Capacidad de consumo 10 LPM hasta 1000 LPM (0.02 kg/min a 2.2 kg/min) de gas LP

en estado gaseoso o vapor.

Calibración electrónica Conexión electrónica

Comunicación Opción de puerto Ethernet para conectar a red de PC´s.

Totalizador En kg con 3 decimales ajustable a ceros con botón y

totalizador no ajustable a ceros.

Exactitud

± 1.5%, no requiere compensación por presión y temperatura

ningún tipo de gas.

Alimentación Eliminador de baterías de 12 V CD a 300 mA con salida de

12.7 V a 15.7 V

Tensión y Corriente de

operación

5 V, 150 mA.

El Transmisor MIDEGAS CON-M puede ser instalado como se muestra en la

figura 3.2. El diagrama simplificado indica como se colocará colar el transmisor en

la tubería de proceso. Por condiciones del Módulo el transmisor se colocará 6

diámetros después de la válvula FV-07A también propuesta. El diagrama es útil

también para cuando se desea cambiar al medidor de lugar, verificar su

calibración o para hacer la limpieza del filtro.



Figura 3.2 Instalación del transmisor Medigas CON-M.

1. Antes de conectar el medidor a la tubería es necesario inspeccionar que la

tubería, válvulas y conectores no tengan polvo ni otros contaminantes.

2. El medidor se debe colocar en un lugar techado y protegido contra el sol y

el agua. No colocarlo en lugares con cambios de temperatura abruptos.

Nota: El medidor debe de ir en posición Horizontal con una inclinación no

mayor a ±15 grados.

3. Es necesario llevar una línea de alimentación de 120 V de corriente alterna

a un punto cercano al medidor.

4. Luego se conecta el registro eléctrico y el medidor mediante un conduit

flexible.

Nota: Es recomendable que la línea de alimentación de 120 V sea regulada

y que provenga de una fuente ininterrumpible con el fin de que la medición

de gas no se interrumpa en caso de una falta de energía eléctrica. Para la

conexión a la red de PCs, se debe llevar el cable de Ethernet hasta el

registro y conectarlo al cable Ethernet del medidor con un conector

apropiado.



3.3.2 Transmisor de flujo másico de aire

La selección de un Transmisor de aire radica en que el Módulo Generador de

Vapor requiere de cierta mezcla de de aire y combustible (gas LP) para propiciar

la ignición en el hogar. El módulo no cuenta con un elemento completo que evalué

la cantidad necesaria de aire para la combustión. Por lo tanto, este tipo de

transmisor de flujo de aire asistirá para medir y controlar el aire que ingresa al

hogar. En la figura 3.3 se muestra el transmisor de aire marca Fox FT2

seleccionado.

Figura 3.3 Transmisor de flujo de aire Fox FT2.

Medidor de flujo másico para gases (aire, amoniaco, biogas, butano, CO2, etano,

etileno, helio, hidrógeno, metano, nitrógeno, oxígeno, propano y otros). El Modelo

FT2 mide caudal en unidades normalizadas, sin necesidad de compensación de

temperatura o presión. Proporciona salidas de 4 mA a 20 mA y el pulso para el

caudal, y una salida de 4 mA a 20 mA para la temperatura de gas de proceso. El

pulso de salida se utiliza normalmente para la totalización. Es adecuado para

velocidades bajas. En la tabla 3.3 se muestran los datos técnicos del transmisor

de Flujo de aire Fox FT2.



Tabla 3.3 Datos técnicos del transmisor de flujo de aire Fox FT2.

Datos Técnicos

Construcción En acero inoxidable 316. Caja NEMA 4X.

Conexión 24 V CD.

Salidas 4 mA a 20 mA. Flujo y Temperatura.

Pantalla con teclado para indicar Flujo instantáneo, flujo total, tiempo transcurrido desde el último reset, temperatura de proceso, alarma.

Exactitud ± 2% Repetibilidad ± 0.5%

Unidades de ingeniería SCFM, Nm3/h, libras/h, kg/h, entre otras.

Comunicación RS232 para conectar una Palm Computadora de

mano o computadora; RS422 / RS485 Modbus,

Profibus-DP, DeviceNet o Ethernet.

Precauciones generales:

Evitar daños a la sonda, sensor o caja.

Durante la manipulación la tapa de la caja debe estar cerrada excepto

durante la instalación y programación, evitar la luz solar directa.

Asegurarse de que la flecha en el cuerpo de flujo esté apuntando en la

dirección del flujo.

No instalar la caja FT2 cerca del controlador de ignición o equipos de

conmutación.

En la figura 3.4 se muestra como el transmisor FT2 se colocará en una tubería de

PVC también propuesto, de 400 mm de longitud y 3” de diámetro para conducir el

aire necesario al hogar. El Medidor de flujo se insertará 1.5” en el tubo de 3” de

diámetro y longitud de 400 mm. El sensor se debe de orientar de frente a la

corriente de aire ± 10º.



Figura 3.4 Inserción del transmisor FT2 en la tubería.

3.4 Transmisor de Nivel

Se determinó que el transmisor más conveniente y que cumple con los parámetros

de funcionamiento es una sonda capacitiva. El Módulo Generador de Vapor

cuenta con un condensador el cual necesita estrictamente mantener un nivel de

flujo de agua en su interior; en un condensador se ve involucrada la presión y un

vacío, por lo tanto para lograr ese vacío y presión adecuados por la carga, se

propone utilizar una sonda capacitiva Vegacal 63 que se muestra en la figura 3.5;

esta proporcionará lecturas y mantendrá un nivel apropiado dentro del

condensador.

Este instrumento es de gran utilidad para efectuar el control de nivel dentro del

condensador. La sonda capacitiva es segura, resistente y no requiere de

mantenimiento, ofrece una seguridad funcional alta, montaje y puesta en marcha

sencilla, medición por toda la longitud de la sonda. La configuración del equipo se

realiza a través del módulo de indicación y configuración de uso opcional

PLICSCOM o a través de una PC con software de configuración. En la tabla 3.4 se

muestran los datos técnicos del transmisor de nivel Vegacal 63.



Figura 3.5 Sonda capacitiva de nivel Vegacal 63.

Tabla 3.4 Datos técnicos de la sonda capacitiva de nivel Vegacal 63.

Datos Técnicos

Conexión a proceso Roscada 316L.

Temperatura de proceso -50 ºC... +200 ºC.

Presión de proceso

-1 bar… 64 bar (-100… 6400 kPa / -14.5 … 928 psig).

Tensión de trabajo 12 V… 36 V CD.

Rango de medición 0.1m… 6 m (0.33ft… 20 ft).

Electrodo Varilla completamente aislada de 16 mm de diámetro, sin contacto

con el medio.

Aisalamiento Aislamiento completo

Salidas 4 mA a 20 mA.

Comunicación RS232, Profibus, Fielbus

Configuración PLICSCOM

La instalación de este instrumento (figura 3.6) es sencilla siguiendo las

indicaciones que se muestran.

1. El transmisor de nivel se introduce por la parte superior del condensador en

posición vertical al electrodo opuesto (agua).

2. Asegurarse de sellar la conexión al proceso.

3. Comprobar si el material de sellado posee la resistencia necesaria.



4. La sonda no debe estar cerca de una corriente de llenado, debido a que

pueden producirse lecturas erróneas indeseadas o perturbaciones.

Figura 3.6 Instalación del transmisor de nivel.

5. La sonda de medición no puede tocar ninguna estructura o pared del

depósito durante el funcionamiento. Además, el valor de medición puede

variar, si varía fuertemente la distancia hasta la pared del depósito. En caso

necesario, hay que fijar los extremos de la sonda de medición aislados.

6. La alimentación de tensión y la señal de corriente tienen lugar por el mismo

cable de conexión de dos hilos, como de muestra en la figura 3.7.

Figura 3.7 Alimentación de tensión/salida de señal (4 mA a 20mA) de la sonda capacitiva.



3.5 Transmisor de Presión

Conocidas las condiciones de operación del condensador se determinó emplear

un transmisor de presión piezorresistivo SEDT de FESTO (figura 3.8), para

mantener la presión necesaria dentro del condensador. Este transmisor ofrece

ocho distintos rangos de medición, una salida analógica 0.1 V - 10 V o 4 mA a 20

mA, es resistente al agua y aceite. En la tabla 3.8 se proporcionan los datos

técnicos del transmisor de presión.

Figura 3.8 Transmisor de presión SEDT FESTO.

Tabla 3.5 Datos técnicos del transmisor de presión SEDT FESTO.

Datos Técnicos

Intervalos de medición -1 bar... +1 bar, 2 bar, 6 bar, 10 bar……+

Conexión Neumática, rosca interior

Salida 0.1 V a 10 V, 4 mA a 20mA

Fluido Aire comprimido, líquidos, medios gaseosos

El transmisor de presión se instalará en la parte superior derecha del condensador

ya que este presenta una conexión roscada. En la figura 3.9 se muestra el acople

del transmisor en la parte superior del condensador. La salida de este instrumento

se conecta al PLC enviando una señal de 4 mA a 20 mA.



Figura 3.9 Conexión del transmisor de presión SEDT FESTO.

3.6 Elementos Finales de Control

Para el módulo Generador de Vapor se determino elegir dos tipos de válvulas que

ayudaran manipular el flujo de agua, gas y aire para la generación de vapor.

3.6.1 Válvulas solenoides

Se seleccionaron 3 válvulas solenoides de 2 vías normalmente cerradas marca

Neumak que proporcionarán el paso del flujo de agua cuando sea requerido por el

proceso, sustituyendo a las válvulas manuales con las que cuenta el Módulo. En la



figura 3.10 se muestra la válvula solenoide y en la tabla 3.6 se muestran los datos

técnicos de la válvula.

Figura 3.10 Válvula solenoide de 2 vías normalmente cerrada Neumak.

Tabla 3.6 Datos técnicos de la válvula solenoide.

Datos Técnicos

Modelo 2L150-15.

Fluido Vapor, temperaturas altas, agua y aceite.

Puertos ½” de diámetro

Tipo Normalmente Cerrada.

Tensión eléctrica 12 V CD, 24 V CD, 24 V CA, 110 vac, 220 vac.

Uso Vapor y temperaturas altas.

Temperatura Agua y aceite 180 °C, Vapor 230 °C.

La instalación como lo muestra la figura 3.11 no es más que el acoplamiento de

las válvulas solenoides FV-03B, FV-03A y FV-05A de forma roscada a la tubería

con la que cuenta el sistema de generación de vapor

Figura 3.11 Instalación de válvulas solenoides.



3.6.2 Válvulas reguladoras

Para este proceso de generación de vapor se hace la propuesta de utilizar dos

válvulas reguladoras una para flujo de aire y otro para flujo de agua. La válvula de

control 2712, figura 3.12, está formada por un cuerpo de válvula de globo y un

actuador de pistón neumático. El regulador es un sistema parabólico de tapón y

asiento. El sistema completo de válvula de control, es capaz de resolver cualquier

necesidad de control continuo de fluidos. Medición de posición para indicación

continúa de la posición real del actuador neumático y de la válvula. En la tabla 3.7

se muestran los datos técnicos de la válvula.

La válvula FV-07A se instalará entre la válvula FV-07B y el transmisor FT-07A.

Teniendo un espacio de 4 diámetros después de la válvula FV-07B y 6 diámetros

entre el transmisor de flujo y la válvula FV-07A. La válvula FV-02B se instalará

para abastecer de vapor al condensador colocándola 4 diámetros entre la tubería

de distribución de vapor y 4 diámetros entre el condensador y la válvula. Como se

muestra en la figura 3.13.

Figura 3.12 Válvula reguladora tipo globo 2712.



a)

b)

Figura 3.13 Instalación de válvulas reguladoras a) Válvula reguladora de flujo de vapor (FV-07A) b) Válvula

reguladora de flujo de gas.



Tabla 3.7 Datos técnicos de la válvula reguladora tipo globo 2712.

Datos Técnicos

Tensión de funcionamiento 24 V CD ± 10%.

Consumo de energía <5 W.

Comunicación PROFIBUS DP o DeviceNet entre otras.

Entradas del sensor para controlador de

proceso

4 mA a 20 mA

Temperatura aire de control -10 ºC... +50 °C.

Temperatura ambiente -10 ºC... +50 °C.

Operaciones 2 salidas binarias, conmutadores inductivos de

aproximación, realimentación analógica,

controlador de procesos.

Ajuste del punto de consigna 0/4 mA... 20 mA. 0 V... 5/10 V.

Conexión Roscada

Caudal QNn (válvula de control 100 l/min (descarga).

Sistema detector de posición Conductivo en plástico, de alta resolución,

acoplado sin holgura al vástago del pistón del

accionamiento.

3.7 Controlador

El Módulo Generador de Vapor didáctico requiere de un control en el cual se

puedan direccionar todas las señales de los instrumentos seleccionados además

de que ejecute la función de control interno. Existen dos opciones para poder

hacer el control del sistema de Generación de Vapor del Módulo didáctico.

1. Por software

2. Por hardware

Se decide tomar la primera opción ya que se empleará el PLC (Controlador

Lógico Programable) para formular los dos lazos de control, la seguridad y

direccionamiento de las señales correspondientes de la instrumentación

seleccionada previamente.



Su funcionamiento consiste en leer todas las entradas y almacenar el estado de

cada una de ellas. Ejecuta las operaciones del programa siguiendo el orden en

que se han grabado. Escribe el resultado de las operaciones en las salidas y una

vez escritas todas las salidas vuelve a iniciar, este ciclo de scan se realiza

indefinidamente hasta que pase el conmutador de la CPU a la posición de paro.

Existe una gran variedad de marcas y tipos de PLC´s, pero dentro de la institución

se cuenta con algunos que ayudan a realizar prácticas; por lo tanto se

aprovechara este material existente para desarrollar el control del Módulo

Generador de Vapor. El PLC elegido para trabajar y desarrollar la propuesta de

control es el RSLgx500 con procesador SCL 5/04 de Allen-Bradley que se

muestra en la figura 3.14, y en la tabla 3.8 se proporcionan sus datos técnicos.

Ventajas:

Compatibilidad con tarjetas de entradas y salidas analógicas de 4 mA a 20

mA.

Capacidad de realizar operaciones en la programación.

Compatibilidad para la comunicación.

Fácil y agradable ambiente para la programación.

Flexible.

Figura 3.14 PLC SCL 5/04 de Allen-Bradley.



Tabla 3.8 Datos técnicos del PLC SCL 5/04 de Allen-Bradley.

Datos Técnicos

Capacidad de Memoria 16 k, 32 k, 64 k palabras.

Alimentación 24 V DC o 120/240 V CA Salidas Relay, triac o transistor. Comunicación RS-232 (DF1 o ASCII) configurable para una red Data

Highway 485 (DH-485). Procesador SCL 5/04

E/S 4096 y tiempo de ejecución de bit de 0.37 µs.

CAPÍTULO IV

PROPUESTA DE CONTROL

DEL MÓDULO DIDÁCTICO

En este capítulo se presenta la propuesta de control para el Módulo Generador de

vapor que consiste de una estrategia de control de relación para el sistema de aire

combustible y un control en cascada para el control del condensador. Además se

muestra la configuración y programación del PLC. Finalmente se tiene la

evaluación económica del proyecto.

CAPÍTULO IV PROPUESTA DE CONTROL DEL MÓDULO DIDÁCTICO


4.1 Balance Estequiométrico

La cantidad mínima del aire necesaria para la combustión completa de un

combustible recibe el nombre de aire estequiométrico o teórico. El proceso de

combustión ideal durante el cual un combustible se quema por completo con aire

teórico se conoce como combustión estequiométrica o teórica de dicho

combustible.

En procesos de combustión reales es una práctica común emplear más aire que la

cantidad estequiométrica, con el fin de aumentar las oportunidades de combustión

completa o para controlar la temperatura de la cámara de combustión. La cantidad

de exceso de aire suele expresarse como aire de exceso porcentual o aire teórico

porcentual, con respecto al aire estequiométrico.

Durante el proceso de combustión en el Generador de Vapor se quema Gas LP

que es una mezcla de 60% Propano (C3H8) y 40% Butano (C4H10,) con un 20% de

exceso de aire. Suponiendo que hay una combustión completa se determinó la

relación aire-combustible.

La reacción de combustión es la siguiente:

22t2222t10483 zN+O0.2a+OyH+3.7N +01.2a+4.0+6.0 xCOHCHC (1)

Donde:

at es el coeficiente estequiométrico del aire.

1.2 at es el factor del 20% de exceso de aire.

Se despeja cada una de los términos (x, y, z y at) para balancear la ecuación

quedando de la siguiente manera:

C: 3.4=xx =40.4+36.0 (2)



H: 4.4 =y2y=100.4+86.0 (3)

O: 5.6=a1.2a= 0.2a+2

+ ttt y

x

(4)

N2: 25.27=z=76.32.1 zat (5)

Sustituyendo los valores en la ecuación 1:

22222210483 25.27N+1.12O+O4.4H+4.33.7N +06.72+4.0+6.0 COHCHC (6)

La relación aire-combustible (AC), se determinó tomando la proporción entre la

masa de aire y la masa del combustible de la ecuación siguiente:

2NM+

NM=

m

m=

ecombustibl

aire

HC

aire

NMAC (7)

Donde:

m es la masa substancia.

N es el número de moles.

M es la masa molar.

Se tiene entonces que:

(NM)aire = (6.72 4.76 kmol) (29 kg/kmol) = 927.71 kg

(NM)C = [(0.6) (3 kmol 12 kg/kmol)] + [(0.4) (4 kmol 12 kg/kmol)] = 40.8 kg

(NM)H2 = [(0.6) (4 kmol 2 kg/kmol)] + [(0.4) (5 kmol 2 kg/kmol)] = 8.8 kg

Sustituyendo los valores en la ecuación 7 se tiene:

ecombustibl kg

aire kg18.72 =

8.8+8.40

71.927=

kgkg

kgAC



Se emplean 18.72 kg de aire para quemar 1 kg de gas LP en este proceso de

combustión. Para fines de simulación en el PLC se empleara el valor de 19 kg de

aire por cada kg de combustible.

4.2 Estrategias de Control

Las estrategias de control determinan la estructura o circuito que sigue la

información o señales del lazo. Dependiendo de la aplicación a gobernar se debe

definir el actuar de las variables de proceso. En función de esta información se

incorporan determinados instrumentos y/o equipos con los cuales se debe lograr la

estabilidad en la aplicación o sistema. Estos instrumentos y/o equipos podrán

estar en cantidades y dispuestos en una jerarquía o circuito específico

determinado.

Una vez establecidas las variables a controlar y que se selecciono la

instrumentación adecuada al proceso en el capítulo 3, se definieron las siguientes

estrategias de control:

Control de relación para el circuito aire-combustible del Módulo Generador

de Vapor.

Control en cascada para la presión y nivel del condensador del Generador

de Vapor.

4.2.1 Control de Relación para el circuito aire-combustible

El sistema de combustión en un Generador de Vapor es fundamental, ya que de

ello depende que la combustión sea eficiente o no, lo que significa aprovechar al

máximo la energía calorífica que se desprende del proceso de combustión. Se

toma en cuenta la cantidad suficiente de aire para suministrar el oxígeno

adecuado, y una mezcla conveniente de combustible, ya que un nivel excesivo de



aire significaría pérdidas de energía. De lo anterior se tiene la importancia de

realizar un control que permita la optimización de la relación aire combustible para

efectuar una mejor mezcla.

En la figura 4.1 se muestra la arquitectura de la estrategia de control de control de

relación aire-combustible. En esta arquitectura de control se elije una variable sin

controlar que en este caso es el flujo de aire, el flujo de Gas LP será la variable

manipulada, ambas son censadas y enviadas de forma analógica al controlador en

el que se establece la relación entre estas dos variables. El controlador emite una

señal a la válvula de control de gas para abrirla o cerrarla logrando mantener la

relación entre ambas variables.

Figura 4.1 Arquitectura de control de la relación aire-combustible.

La variable controlada depende de la variable sin controlar. Debido a que el aire se

toma del ambiente las condiciones en las que ingrese al hogar dependerán de las

condiciones atmosféricas que tenga el laboratorio en donde se encuentra instalado

el Módulo. Si cambian las condiciones dentro del laboratorio, la medición del flujo

de aire cambiara, en consecuencia se debe de ajustar la cantidad de flujo de gas

que ingresa para mantener la relación aire-combustible.



La figura 4.2 muestra un esquema de la propuesta del control de relación del

Generador de Vapor, con los componentes involucrados, para su correcto

funcionamiento, de manera detallada este control se muestra en el anexo D.

Figura. 4.2 Esquema de la propuesta de control de la relación aire-combustible

4.2.2 Control en cascada para el circuito Presión-Nivel del Condensador

El condensador es un elemento importante que forma parte del Módulo

Generación de Vapor, es por esa razón que se toma a este sistema para formular

un control adecuado, que satisfaga las necesidades de operación y cumpla con las

siguientes características:

Mantener la presión necesaria en el interior del condensador.

Mantener un nivel de agua de alimentación adecuado.

Considerar un nivel máximo y mínimo de agua de alimentación.

Tener un dren.

Considerando las necesidades de control descritas, el número de variables a

controlar, la instrumentación seleccionada y considerando que se requiere un

control simple, práctico y acorde al Módulo didáctico, se determinó trabajar bajo la

arquitectura del control en cascada.

AS

FT

07B

FT

07AFV07A

FY

07

FC

07

GS

GENERADOR

DE VAPOR

I/P19/1



La estructura de control en cascada se caracteriza por dos controladores

realimentados anidados, siendo la salida del primario el punto de consigna del

controlador secundario. La salida del controlador secundario es la que actúa sobre

el proceso. En la figura 4.3 se muestra la arquitectura del diagrama a bloques del

control en cascada.

Controlador

primario

Controlador

secundarioproceso Proceso

Retroalimentación

secundaria

Retroalimentacion

primaria

XX Variable

Controlada

Set point

Variable

manipuladaSet point

Figura 4.3 Diagrama a bloques del control en cascada.

Las ventajas del control en cascada son:

Produce una acción correctiva en cuanto exista un error.

Necesita poco conocimiento del proceso a controlar (un modelo

aproximado).

El controlador PID es uno de los controladores de realimentación más

versátil y robusto.

Se corrigen las perturbaciones que ocasiona la variable secundaria antes

de que afecten a la variable controlada.

Esta arquitectura tiene mayor control del proceso debidoa sus lazos de

control.

En la figura 4.4, se muestra el control en cascada presión-nivel, propuesto para el

condensador del Generador de Vapor, determinando que la Variable Manipulada

es la presión en el interior del condensador que será censada por el transmisor



TP-03, mediante una válvula solenoide, el exceso de agua será conducida al

desagüe y la Variable Controlada será el nivel censado por el transmisor LT-03.

Figura 4.4 Diagrama a bloques del control en cascada de presión-nivel.

Cada una de las variables de proceso tiene un retardo en función de las cargas,

constantes de tiempo y propiedades físicas, la figura 4.5 ilustra la curva en la que

aparecen las variables de proceso en función de su retardo en la respuesta. Esta

curva da una primera aproximación para fijar los parámetros de sintonía para

realizar un control en lazo cerrado. El lazo interno (secundario) del sistema

presión-nivel tiene un proceso dinámico más rápido que se ve sometido a

perturbaciones significativas.

El lazo de control primario es del nivel el cual reacciona más lento y el lazo de

control secundario se encargará de corregir las perturbaciones, en tanto que el

transmisor de presión será el que aporte con mayor rapidez la señal que el

transmisor de nivel. El punto de referencia del controlador de presión lo

proporcionará el controlador de nivel, y el controlador de presión será el que

modificará la variable manipulada.



Figura. 4.5 Curva de las variables de proceso en función del retardo en la respuesta.

Adicionalmente se tiene una condición de que si llegará a tener un nivel muy bajo

el condensador entonces se acciona una válvula solenoide, que dejará ingresar un

flujo de agua del tanque auxiliar para compensar esa falta de nivel dentro del

condensador. En la figura 4.6 se muestra un esquema de la propuesta del control

en cascada presión-nivel para el Generador de Vapor, con los componentes

involucrados, para su correcto funcionamiento, de manera más detallada este

control se muestra en el DTI del anexo D.

LT

03

PT

03

P

P

S

FV03B

S

FV03A

LC

03

PC

03

AGUA DE

ENFRIAMIENTO

A BOMBA

DEL TANQUE

AUXILIAR

Figura 4.6 Esquema de la propuesta del control en cascada Presión-Nivel del condensador.



4.3 Configuración Física del PLC

La configuración física que tendrá el PLC SLC-5/04 básicamente depende de las

señales que emitan o reciban la instrumentación que anteriormente ya se ha

seleccionado. Es importante que se tengan bien identificadas las señales que

ayudarán a la elaboración de la programación del control del sistema de

generación de vapor, para el direccionamiento, conexión y en su defecto

comunicación. En las siguientes tablas 4.1 y 4.2 se muestran las señales de

entrada y salida que se deben de tomar en cuenta.

Tabla 4.1 Señales de entrada.

Analógicas Digitales

Transmisor de Presión PT-03 Botón de encendido 1

Transmisor de Nivel LT-03 Botón de encendido 2

Transmisor de Flujo FT-07An Señal de encendido del quemador

Transmisor de Flujo FT-07B

Tabla 4.2 Señales de salida.

Analógicas Digitales

Válvula FV-02B Bomba de agua

Válvula FV-07An Ventilador

Válvula FV-05An

Válvula FV-03An

Válvula FV-03Bn

Identificadas estas señales, se realiza la selección de los componentes que

forman parte del PLC como son el CPU, la fuente de alimentación y los módulos o

tarjetas de entradas y salidas que se requieren. Debido a que ya se cuenta con un

PLC RSLgx500 con procesador SCL 5/04 de Allen-Bradley dentro de la escuela y

que se adapta a los requerimientos del proceso que en el presente trabajo se

requieren, solo se adecua, proponiendo la configuración física del PLC como se

muestra en la figura 4.7.



Figura 4.7 Configuración física del PLC.

4.3.1 Fuente de alimentación

Los sistemas 1746 requieren fuentes de alimentación rectificadas que aseguran un

funcionamiento normal y seguro. La fuente de alimentación 1746/P1 con la que

cuenta el PLC SCL 5/04 seleccionado se adapta a las características necesarias

que satisfacen las especificaciones del proceso; además, son los más comunes en

los laboratorios donde se realizan prácticas. La fuente va ubicada en el lado

izquierdo del chasis de E/S 1746. Cuenta con una tensión eléctrica de 85 V a 132

V CA, 170 V a 265 V CA, 47 Hz a 63 Hz, capacidad de corriente a 5 V de 2 A,

capacidad de corriente del usuario 0.2 mA a 24 V CD, corriente de entrada

máxima al momento del arranque 20 mA .

4.3.2 CPU

Las soluciones que presenta Allen-Bradley para implementar sistemas de control

con PLC´s son diversas y cuenta con familias de controladores lógicos

programables. Es importante mencionar que estos sistemas y arquitecturas no son



rígidos, ya que permiten integrarse a través de las redes (información, de control,

de dispositivos, serial, etc.) y enlaces (universal remoto I/O.)

La familia SCL 500 es adecuada para aplicaciones de control. Esta línea ofrece un

amplia gama de elecciones en memoria, capacidad de E/S, conjunto de

instrucciones puertos de comunicación para permitir diseñar un sistema de control

y para requerimientos exigentes. Los PLC´s modulares SCL 500 son más

utilizados ya que ofrecen flexibilidad en las E/S digitales en diferentes

configuraciones para soportar de 24V CD o 120/240 CA y salidas tipo relay, triac o

transistor. Considerado como el más conveniente además de que cuenta con dos

aspectos principales que son la memoria y las instrucciones.

El CPU cuenta con un procesador SCL 5/04, este tienen una capacidad de

memoria de 32 k palabras. Soportan hasta 4096 entradas más 4096 salidas, y

tiene un tiempo de ejecución de bit de 0.37 μs. Estos procesadores incluyen un

puerto Data Highway plus (DH+) que habilita la comunicación par a par de alta

velocidad con otro procesador SCL 5/04 o un procesador PLC-5. El procesador

SCL 5/04 también tiene un puerto RS-232 (DF1 o ASCII) configurable para una

red Data Highway 485 (DH-485), en la figura 4.8 se muestra el CPU SCL 5/04 con

puesto de comunicación y la posición que ocupa el CPU en el chasis.

Figura 4.8 CPU SCL 5/04 con puerto de comunicación.



4.3.3 Módulos de entradas y salidas analógicas

A diferencia de las señales digitales, las señales analógicas varían

constantemente con respecto a una variable física. Se utilizan diversos

dispositivos para medir la magnitud de estas variables físicas, estos dispositivos

entregan la magnitud medida por medio de una señal de tensión o corriente

eléctrica, la cual es proporcional a la magnitud de la variable física a medir. Los

valores de tensión o corriente que entregan estos dispositivos, son representados

mediante cantidades numéricas para ser procesadas por el PLC.

Los módulos analógicos que se proponen utilizar son 2 módulos 1746-NI4 y un

módulo 1746-NO4I de terminales extraíbles que proporcionan una conexión con

los canales analógicos de entrada y/o salida diseñado específicamente como

interface con las señales de entrada de corriente y de tension. Los canales pueden

conectarse bien de forma unipolar o bien como entradas diferenciales. La tarjeta

de circuitos incorpora microinterruptores que permiten seleccionar la entrada de

corriente o de tensión.

El Módulo de salida analógica NO4V proporciona 4 canales de salida analógica en

este caso 4 salidas de tensión. Las características que deben tener de las tarjetas

son: cumplir con el menor número de módulos de entrada, capacidad de

interpretar las señales que envían los instrumentos de medición y compatibilidad

con el escalamiento que se requiera para el control de proceso.

El módulo de señales analógicas que cumple con las características de proceso,

comunicación, conexión y escalamiento, es la tarjeta de entrada 1746-NI4 para

entradas analógicas. Este posee cuatro canales de entrada analógicos que son

seleccionables por el usuario por el canal de tensión o corriente para apoyar una

variedad de vigilancia y control de aplicaciones. En la tabla 4.3 se da la relación

de intervalos para tensiones y corrientes en las entradas del módulo.



Tabla 4.3 Intervalos de tensión y corriente de las entradas del módulo.

Intervalos de Tensión y corriente

Representación decimal

Bits significativos Resolución

± 10 V CD ±3268 16

305.17 μv

0 a 10 V CD 0 a 32767 15

0 a 5 V CD 0 a 16384 14

1 a 5 V CD 3277 a 16384 13.67

± 20 V CD ± 16384 15

1,22070 μv 0 a 20 V CD 0 a 16384 14

4 a 20 V CD 3277 a 16384 13.67

4.3.4 Módulos de entradas y salidas digitales

Los módulos de entrada/salida con los que cuenta el PLC que son adecuados

para ser utilizados en el proceso son los módulos 1746 IB8 para entradas

digitales y 1746 0B8 para las salidas. Este tipo de módulos cuentan con un

circuito conmutable que tiene solo dos estados; activado y desactivado (lógica 1 y

0, verdadero y falso, presencia o ausencia de la misma).

El módulo de entradas digitales distingue estados ON/OFF, 1/0, abierto/cerrado.

Soporta niveles de señales de: 5 V CD, 24 V CD, 10 V CA, 220 V CA. Mientras

que las salidas digitales: son ON/OFF, 1/0, abierto/cerrado. De tipo Triac,

Transistor, Relay (DC, AC). En la tabla 4.4 se muestran las especificaciones de los

módulos.

Tabla 4.4 Especificaciones de los módulos E/S digitales.

Temperatura de operación 0 ºC a 60 ºC (32 ° F a 140 ° F)

Temperatura de almacenamiento -40 ºC a 85 ºC. (-40 ºF a 185 ºF.)

Humedad de operación 5% a 95% (sin condensación)

Inmunidad al ruido Estándar NEMA ICS 2-230

Vibración (operación) Desplazamiento 0.015 pico en 5 Hz a 57 Hz. Aceleración 2.5

gs en 57 Hz a 2000 Hz

Choque (operación) 30 gs (todos los módulos excepto tipo relay) 10 gs (módulos

tipo relay: -OW, -OX, y combinación de módulos E/S)

Aislamiento 1500 V



4.4 Programación del PLC

El programa realizado en el PLC 5/04 cuenta con ciertas características que se

requieren para el buen funcionamiento y seguridad del proceso de generación de

vapor.

a) Arranque y operación

Para el arranque y operación del Generador de Vapor con esta propuesta de

programación en escalera se tiene:

1. Al energizar el Módulo con los botones de arranque, solo se activará

automáticamente el ventilador, se ingresan los valores presión máxima, de

nivel bajo, medio y alto, y se comienzan a escalar los valores que envían

los transmisores PT-03, LT-03 y FT-07B.

2. Para que la bomba entre en funcionamiento, se comparan los valores de los

transmisores con los valores ingresados, si hay una presión debajo de la

presión máxima y un nivel arriba del mínimo, la bomba entra en

funcionamiento.

3. En caso de que un parámetro no se cumpla se abre la válvula de desagüe

FV-03B si hay una presión mayor (también se puede auxiliar accionando

manualmente la válvula de seguridad de presión PSV-04 del condensador)

o un nivel alto, o abrir la válvula del tanque auxiliar FV-03A para permitir el

ingreso de agua destilada si el nivel es menor al mínimo, según sea el

caso.

4. Una vez que la bomba de agua está operando, se puede encender el

quemador el cual activa las válvulas FV-07B y FV-07C, se activa la válvula

FV-05A, la válvula FV-07A permite un flujo de gas del 20%, se escala el

flujo de gas y la válvula FV-02B abre al 50%.

5. Al encender el quemador, la válvula FV-07A abre un 50%, y si no hay fallas

en el sistema en un tiempo de 2 minutos se activan los controles. Por el

contrario si el quemador no enciende después de los 2 minutos la bomba se

desenergiza automáticamente, por lo que se procede a verificar la falla.



b) Control

6. El control de relación funciona de la siguiente manera:

El valor escalado de la señal del sensor de flujo de aire es dividido entre

19, para así hacer la relación 19:1 de aire-combustible.

Este valor es comparado con el valor escalado del flujo de gas, en caso

de ser mayor el flujo de aire la válvula de gas abre, en caso de ser

menor, la válvula cierra.

En cada escaneo de los valores, estos se comparan hasta que se

cumpla la relación.

7. En el control en cascada se ingresan los valores correspondientes a cada

instrucción del PID.

Hay que tomar en cuenta que le valor de salida del primer PID es el

setpoint del segundo, por la cual hay que direccionar dicho valor.

Los valores de configuración de los PID son ingresados a consideración

del programador debido a que no fueron calculados, ya que no son

parte de los objetivos del presente trabajo.

La salida del segundo PID es comparada con los valores de nivel y

presión, para activar la válvula FV-03B o FV-03A según sea requerida

la apertura, mientras una esté activa la otra permanece cerrada y no

puede ser activada.

c) Paro normal y paro de emergencia.

8. Para sacar de operación el Módulo de manera correcta :

Primero se apaga el quemador.

Después de 2 minutos se desactivan los controles y se procede a

desenergizar el Módulo.

9. En caso de un paro de emergencia, si falla alguna de los parámetros que

están integradas en el control eléctrico del Módulo, estos apagan el

quemador automáticamente, de manera inmediata se apaga la bomba y la

válvula FV-02B abre al 100% para permitir que todo el vapor entre al



condensador, mientras que la válvula FV-03B del condensador abre y se

desactiva la válvula FV-07B del suministro de gas.

10. Para restablecer el sistema se desenergiza completamente el sistema y se

procede a verificar las fallas antes de volver aponer en operación el Módulo

Generador de Vapor.

4.4.1 Bloque de control PID

Esta es una instrucción de salida que controla las características físicas tales

como la temperatura, presión, nivel de líquido o régimen de caudal usando lazos

de proceso. La instrucción PID normalmente controla un lazo cerrado usando

entradas de un módulo de entrada analógico y proporcionando una salida a un

módulo de salida analógico. Para el control de temperatura, se puede convertir la

salida analógica a una salida activada/desactivada de tiempo proporcional. Figura

4.9 Bloque PID.

Figura 4.9 Instrucción PID.

La instrucción PID se puede operar en el modo temporizado o el modo STI. En el

modo temporizado, la instrucción actualiza su salida periódicamente a un régimen

seleccionado por el usuario. En el modo STI, la instrucción se debe colocar en una

subrutina de interrupción STI. Se actualiza su salida cada vez que se realiza un

escaneo de la subrutina STI. El intervalo de tiempo STI y el régimen de

actualización de lazo deben ser idénticos para que la ecuación se ejecute

correctamente.

El control en lazo cerrado PID retiene una variable de proceso a un punto de

ajuste deseado. La ecuación PID controla el proceso enviando una señal de salida

a la válvula de control. Cuanto más grande sea el error entre el punto de ajuste y

la entrada de variable de proceso, tanto más grande es la señal de salida y



viceversa. Un valor adicional (alimentación hacia adelante o bias) se puede añadir

a la salida de control como offset. El resultado del cálculo PID (variable de control)

impulsará la variable de proceso que controla hacia el punto de ajuste.

Normalmente, la instrucción PID se coloca en un renglón sin lógica condicional. La

salida permanece a su último valor cuando el renglón es falso. El término integral

también se borra cuando el renglón es falso. En la figura 4.10 se muestran los

parámetros del bloque PID. Durante la programación, se introducen las

direcciones del bloque de control, variable de proceso y variable de control

después de colocar la instrucción PID en un renglón:

El bloque de control es un archivo que almacena los datos requeridos

para operar la instrucción. La longitud de archivo se fija a 23 palabras y se

debe introducir como dirección de archivo de entero.

La variable de proceso PV es una dirección de elemento que almacena el

valor de entrada de proceso. Esta dirección puede ser la ubicación de la

palabra de entrada analógica donde el valor de la entrada A/D se almacena.

Este valor también podría ser un valor de entero si se decide escanear su

valor de entrada de antemano al intervalo 0–16383.

La variable de control CV es una dirección de elemento que almacena la

salida de la instrucción PID. El valor de salida tiene un rango de 0 a 16383;

16383 es el 100%. Esto es normalmente un valor de entero para que se

pueda escalar el valor de entrada PID según el rango analógico específico

que la aplicación requiera.

Figura 4.10 Parámetros del bloque PID.



La figura 4.11 muestra la longitud del bloque de control, que se fija a 23 palabras y

se programa como archivo de entero. Los indicadores de instrucción PID (palabra

0) y otros.

Figura 4.11 Configuración del bloque de control.

4.4.2 Instrucción de escalamiento SCP

Para el escalamiento de las señales analógicas de entradas y salidas se utilizo la

instrucción SCP que se muestra en la figura 4.12 .Los parámetros que se ingresan

en esta instrucción son empleados para determinar los valores de la pendiente y

offset automáticamente.



Figura 4.12 Bloque de la instrucción SCP.

Los parámetros que se introducen para programar esta instrucción son los

siguientes:

Valor de entrada (Input), puede ser una dirección de palabra o una

dirección de elementos de datos.

Los valores mínimos y máximos de entrada (Input Min., Input Max.),

que determinan el valor de datos que aparecen en el parámetro de valor de

entrada. El valor puede ser una dirección de palabra o una constante de

entero.

Los valores mínimos y máximos escalados (Scaled Min., Scaled Max.),

determinan el valor de datos que aparecen en el parámetro de salida con

escala. El valor puede ser una dirección de palabra o una constante de

entero.

El valor de salida escalado (Scaled Output) puede ser una dirección de

palabra o una dirección de elementos.

En la tabla 4.5 se muestras los valores que se deben introducir para cada uno de

los escalamientos de entradas y salidas analógicas.



Tabla. 4.5 Valores para la instrucción SCP.

PT-04 LT-04 FT-07A FT-07B FV-02 FV-07

Input I:3.0 I:3.1 I:3.2 I:3.3 F:8.20 F:8.21

Input Min. 3277 3277 3277 3277 0 0

Input Max. 16384 16384 16384 16384 100 100

Scaled Min. 0 0 0 0 3277 3277

Scaled Max 20 100 150 200 16384 16384

Scaled Output F:8.12 F:8.13 F:8.14 F:8.16 O:5.0 O:5.1

4.5 Evaluación Económica del Proyecto.

La determinación de la rentabilidad financiera del proyecto dependerá

directamente de los costos derivados de la instrumentación e instalación, los

cuales se incluyen desde la aplicación de la metodología hasta el costo de la

implementación de la instrumentación. Para tener una estimación de los costos

generados por la propuesta del proyecto es necesario llevar a cabo un análisis de

las actividades del personal, así como el tiempo para la realización de estas

actividades; esto sólo es un estimado.

4.5.1 Actividades generales

En la tabla 4.6 se describen las actividades generales de la propuesta de control

del Módulo Generador de Vapor. Considerándose como un proyecto de inversión,

debido a que sus efectos radican en los beneficios económicos a mediano y largo

plazo.



Tabla 4.6 Descripción de actividades generales

No. Actividad Duración (días)

1 Revisión e inspección de la información e inventario del Módulo

Generador.

1-5

2 Análisis de las condiciones de operación del proceso. 1-5

3 Identificación de variables. 1-2

4 Selección de la instrumentación. 5-7

5 Estrategia de control propuesta. 5-7

6 Análisis de resultados. 1-5

7 Presentación de resultados. 1-2

8 Implementación de la propuesta. 5-7

Tiempo Total de duración. 20-40

4.5.2 Manejo de personal

Este análisis se lleva a cabo para contar el personal que interviene para la

formulación del Control del Sistema de Generación de Vapor, debido a que es un

Módulo didáctico solo intervendrán los siguientes cargos y responsabilidades:

Tabla 4.7 descripción de actividades del personal

No. Nombre Actividad

1

Director y Coordinar de

proyecto

Diseño, planeación del proyecto de los objetivos a cumplir,

integración de los recursos materiales y humanos

involucrados en el desarrollo del proyecto.

1-2

Ingenieros

Persona encargada del desarrollo de la metodología

propuesta.

1

Técnico especialista

Encargado de inspeccionar el correcto y buen

funcionamiento del sistema.



4.5.3 Cotización de horas hombre

Para el proyecto se considera un tiempo estimado de 20 a 40 días, tomando como

base el horario laboral normal de 8 horas diarias y cinco días semanales. El

proyecto será realizado por un total de 1 a 3 personas.

Tabla 4.8 Costos mínimos de horas-hombre.

Producto Costo por hora-hombre ($) Costos mínimos ($) Total ($)

Director de proyecto

coordinador

450

72,000

144,000

Ingeniero 1

300

48,000

Técnico

150

24,000

4.5.4 Costos derivados de la adquisición de la instrumentación

En la tabla 4.9 se muestra la cotización de la instrumentación propuesta para el

sistema de generación de vapor, que cubren con los requerimientos del Módulo

Didáctico.

Evaluando los costos de la instrumentación con respecto al costo actual del

Módulo Generador de Vapor se tiene:

Costo de la instrumentación propuesta $95,932.20 (Pesos).

Costo del Módulo Generador $1, 000,095.00 de N/M (Pesos).



Tabla 4.9 Costo de materiales

De esta manera se obtiene que el costo mínimo total para el caso propuesto es

ejemplificado de la siguiente manera:

Instrumento

Cantidad

Descripción

Empresa

Precio

PLC

1

SCL5/04RCLgx500

Allen Bradley

----------

Transmisor de gas

1

Medidor MEDIGAS CON-M de 30 LPMS (1.2 kg/h). Este medidor cuenta con pantalla LCD y con salida 4-20 ma.

SUGAS

$ 1,675.00

Transmisorr de

flujo de aire

1

El Modelo FT2 mide caudal en unidades estándar, Proporciona salidas aisladas 4 a 20 mA

FOX

$ 1,969.00

Válvula

solenoide

1

Válvula 2/2. sol. 1/2" uso 220 V CA

NEUMAK

$ 750.00

Válvula

solenoide

1


NEUMAK

$ 750.00

Válvula solenoide

1


NEUMAK

$ 750.00

Válvula reguladora

1

Válvula 2/2. sol. 1/2" con actuador uso 220 V CA

Burkert

$ 1100.00

Válvula

reguladora

1

Válvula 2/2. sol. 1/2" uso con actuador 220V CA

Burkert

$ 1100.00

Sonda

capacitiva

1

Sonda de nivel VEGACAL 63

VEGA

$ 800.00

Transmisor de

presión

1

Salida analógica 0 V, 1V a 10 V o 4 mA 20 mA. Operación -1 bar a +1 bar con conexión roscada

FESTO

$ 950.00

Total en UDS

$ 7,644.00

Costo en M/N aproximado

$95,932.20



COSTO MÍNIMO TOTAL= COSTO MÍNIMO TOTAL HORAS-HOBRE + COSTO

DE INSTUMENTACIÓN

COSTO MÍNIMO TOTAL = $ 144,000.00 + $ 95,932.20 = $ 239,932.20

4.5.5 Productos entregables o aportaciones

El proyecto requiere de ciertos documentos y actividades necesarios para su uso

adecuado,

Balance Estequiométrico.

Relación de instrumentación.

Costos de instrumentación.

Diagrama del Módulo Generador de Vapor.

DTI´S.

Diagrama de flujo de la propuesta.

Instalación.

Conexión.

Configuración.

Programación.

Manuales de operación.

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES


Se realizó la propuesta de control del Módulo Generador de Vapor P.A Hilton Serie

S200/00262, para el sistema aire-combustible por medio de un control de relación

y en le condensador del Módulo para controlar la presión y el nivel de este

mediante un control en cascada. Obteniendo el DTI actual Módulo y el de la

propuesta de control, el manejo de variables analógicas para la programación en

PLC, así como la selección de la instrumentación de acuerdo a las características

del proceso.

Para la elaboración de la propuesta fue necesario realizar la selección de la

instrumentación, establecer las variables a controlar para determinar el tipo de

control a aplicar para su programación en PLC que controlará el Módulo. La

instrumentación se seleccionó de acuerdo a los requerimientos de operación del

Módulo, pero también se consideraron las características del PLC. El PLC

seleccionado fue el Allen Bradley ya que bajo condiciones de programación es

más flexible y amigable para trabajar, en comparación a otros.

Para el control del sistema aire combustible, se realizo un balance estequiométrico

con el cual se obtuvo una relación de aire combustible de 18.72 para un exceso de

aire de 20%. Se opto por un control de relación en donde la variable a controlar es

el flujo de combustible y por cuestiones de exactitud se determinó que por cada

kilogramo de combustible se suministrarán 19 kilogramos de aire. Para el control

del condensador se eligió la presión como la variable manipulada en el lazo de

control secundario y en el lazo primario al nivel como variable controlada, esto ya

que la presión tiene un tiempo de retardo menor que la variable de nivel.

La Propuesta de Control del Módulo Generador de Vapor, traerá consigo grandes

beneficios para la realización de futuras prácticas de las distintas asignaturas que

se imparten dentro de la carrera de Control y Automatización. Y es por el simple

hecho de que es un sistema en el cual se ven involucradas un considerable

número de variables, convirtiéndolo en una herramienta útil y de interés para

adquirir conocimientos teórico -prácticos.

CONCLUSIONES


BIBLIOGRAFÍA

BIBLIOGRAFÍA


1. Antonio Creus, Instrumentación Industrial, 7ª., Ed. Alfaomega marcombo,

México, 2006.

2. David J. Lomas, Selecting the right flowmeter. Part I y II., Instrumentation

Technology, Mayo y Junio 1977.

3. Douglas O.J. Desá, Instrumentation Fundamentals for Process Control, Senior

Applications Engineering Consultant Retired, Foxboro G.B. Limited, Taylor and

Francis, Founded 1798 New York London 2001.

4. Harold E. Soisson, Instrumentación Industrial., Ed. Limusa. Méx.

5. José Acedo Sánchez Control Avanzado de Procesos (Teoría y Práctica),

Editorial Díaz de Santos S.A, Madrid/España 2003.

6. José Colado Contreras, Curso de Control de Calderas, ISA México, 2007.

7. Manual Experimental de operación y mantenimiento del Módulo Generador de

Vapor P.A Hilton LTD serie S2000.

8. Manual de Mantenimiento del Módulo Generador de Vapor, P.A Hilton LTD

serie S2000.

9. NORMA ISA S5.1

10. NORMA ISA S5.5

11. Sam G. Dukelow, The control of boilers, Instrument Society of America.

12. Smith y Corripio, Control Automático de procesos., Limusa

13. Yunus A. Cengel, Termodinámica, 6ª. Ed., Mc Graw Hill, Méx. 2009.

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14. Varios autores, Manual de instrumentación y control de procesos, Editorial

Alción, S.A.

15. http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad11.PDF; Noviembre 2010

16. http://www.gas.pemex.com/NR/rdonlyres/D3D851A9-FDE6-4F68-8FD1-

3CC6E50163E4/0/HojaSeguridadGasLP_v2007.pdf; Noviembre 2010

17. http://www.ecosimpro.com/download/articles/C01_05_es.pdf; Noviembre 2010

18. http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_08/cic-vapor.htm; Diciembre 2010

19. http://es.scribd.com/doc/57476822/7/CICLO-RANKINE; Diciembre 2010

20. http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/types-of-steam.html; Enero 2011

http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad11.PDF;%20%20Noviembre%202010

http://www.gas.pemex.com/NR/rdonlyres/D3D851A9-FDE6-4F68-8FD1-3CC6E50163E4/0/HojaSeguridadGasLP_v2007.pdf;%20%20%20Noviembre%202010

http://www.gas.pemex.com/NR/rdonlyres/D3D851A9-FDE6-4F68-8FD1-3CC6E50163E4/0/HojaSeguridadGasLP_v2007.pdf;%20%20%20Noviembre%202010

http://www.ecosimpro.com/download/articles/C01_05_es.pdf

http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_08/cic-vapor.htm

http://es.scribd.com/doc/57476822/7/CICLO-RANKINE

http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/types-of-steam.html

ANEXOS

ANEXO A


ANEXO A DIAGRAMA DEL MÓDULO GENERADOR DE VAPOR

FLUJO

SONDA DE MUESTREO

DE CO2/CO

GENERADOR

DE VAPOR

SENSOR DE EXCESO DE

TEMPERATURA DE GASES

DE COMBUSTIÓN

FIBRA DE

CERÁMICA

SENSOR DE FALLA

DE FLAMA

OBTURADOR DE

AIRE SECUNDARIO

QUEMADOR DE GAS

PILOTO

VENTILADOR DE

AIRE PRIMARIO

VÁLVULA

SOLENOIDE

DEL PILOTO

VÁLVULA

SOLENIDO

PRINCIPAL

VÁLVULA DE

PARO

VÁLVULA DE

SEGURIDAD

VÁLVULA DE

RETENCIÓN DE

AGUA DE

ALIMENTACIÓN

MEDIDOR DE

FLUJO Y

VÁLVULA DE

CONTROL

GAS

COMBUSTIBLE

CONTROLADOR

DE GAS

t1

t2

SENSOR DE

PARO POR

TEMPERATURA

ALTA

t6

VÁLVULA

SOLENOIDE

VÁLVULA DE

CONTROL

MEDIDOR DE

FLUJO DE

AGUA DE

ALIMENTACIÓN

PRESIÓN DE

VAPOR

MEDIDOR DE

CO2/CO

PRESIÓN DEL

CONDENSADOR

FILTRO

ENFRIADOR

CONDENSADO

INTERRUPTORES

DE PRESIÓN

INDICADOR DE

TEMPERATURA

ACUMULADOR Y

VÁLVULA DE VERTER

BOMBA DE ALIMENTACIÓN

DESAGÜE

t5

DESAGÜE DE

AGUA DE ENFRÍO

DESAGÜE

VÁLVULA DE

RETENCIÓN

CONEXIÓN DE

RETORNO DE

CONDENSADOS

(Y AIRE)

VÁLVULA DE CONTROL

DEL EYECTOR AIRE

VÁLVULA DE CONTROL

DE DEPÓSITO

SUPLEMENTARIO

VÁLVULA DE

ALIVIO DEL

CONDENSADOR

CONEXIÓN DE

VAPOR A OTRAS

UNIDADES

CHORRO DE AGUA DEL

EYECTOR DE AIRE

DEPÓSITO DE

REPOSICIÓN

AGUA DE

ENFRIAMIENTO

VÁLVULA DE

DERIVACIÓN

CONDENSADOR

t4

t3

t8

t7

S200 GENERADOR DE VAPOR MÓDULO DE SERVICIO

ANEXO A DIAGRAMA DEL MÓDULO

GENERADOR DE VAPOR S200CÓDIGO ANTERIOR CÓDIGO ACTUAL FECHAREVISIÓN

DIBUJÓ

REVISÓ

APROBÓ

REVISÓ

APROBÓ

ESCALA: S/ ESC. ACOTACIÓN: N/A

FECHA DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO FECHA DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO

VÁLVULA DE

RETENCIÓN

(CO2/CO SAMPLING PROBE)

(CONDENSATE )

(CO2/CO METER)(FILTER)

(PRESSURE SWITCHES)

( TEMPERATURE METER)

(STEAM PRESSURE) (DUMP CONDENSER PRESSURE)

(AIR EJECTOR CONTROL VALVE )

(MAKE UP TANK CONTROL VALVE)

(CONDENSER RELIEF

VALVE)

(STEAM CONECTION TO

OTHER UNITS)

(MAKE UP TANK)

(WATER JET AIR EJECTOR)

(FED PUMP)

(DRAIN)

(COOLING WATER DRAIN)

(NON RETURN

VALVE)

(CONDENSATE (AND AIR)

RETURN CONNECTION)

(COOLING WATER)

(DRAIN)

(SOLENOID VALVE)

(DUMP VALVE)

(DUMP CONDENSER)

(NON RETURN VALVE)

(MAIN SOLENOID)

(FLOW METER

AND CONTROL

VALVE)

(GAS FUEL)

(CONTROL VALVE)

(FEED WATER

FLOW METER)

(ACUMULATOR AND SPILL VALVE )

(PILOT)

(PRIMARY AIR FAN)

(PILOTO SOLENOID)

(STOP VALVE)

(SAFETY VALVE)

(FEED CHECK VALVE )

(HIGH TEMP

CUT-OUT SENSOR

)

(COOLER)

(STEAM GENERATOR)

(EXCESS FLUE GAS TEMPERATURE SENSOR )

(CERAMIC FIBRE)

(FLAME FAILURE SENSOR)

(SECUNDARY AIR CONTROL SHUTTER)

(GAS BURNER)

(GAS CONTROLLER)

(FLOW METER AND

CONTROL VALVE)

MEDIDOR DE

FLUJO Y

VÁLVULA DE

CONTROL

REYNA ANBELL ZANCHEZ ARANGO

FABIAN GONZALEZ MENDEZ

ANEXO B


ANEXO B DTI ACTUAL DEL MÓDULO

ANEXO B DTI ACTUAL DEL MÓDULO

CÓDIGO ANTERIOR CÓDIGO ACTUAL FECHAREVISIÓN

DIBUJÓ

REVISÓ

APROBÓ

REVISÓ

APROBÓ


FECHA DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO FECHA DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO

S

FI

S

FI

TE

FV

FCV

FI

TE

FCV

HV

PI

S

FVTE

TE

TIH

TI

AI

TE

HV

TE

PI

PSV

PS

FCV

TE

PS

TIH

BIL B

TE

TS

TC

A PROCESO

AS

GS

WS

P

P

P

AT

PSV

05 05A

05

05A

07

02

02

02B

02

02

02

06

06

06A

06B

03

03

03

0404

04

04

04A

04B

0707

01

02

01

02

02

02A

02



ANEXO C


ANEXO C DIAGRAMA DE FLUJO

Inicio

Alimentación

eléctrica

Abastecimiento de

agua de

enfriamiento

Abastecimiento de

agua destilada Flujo de gas

Hogar

o

Quemador

Proceso de

Generación

de vapor

Ignición

alarma de

falla de flama Paro

Fin de proceso

ANEXO C


Valvula de

seguridad

Indicador de

flujo de gas

con válvula

Hogar

o

quemador

Ignición

Hogar

Válvula de

seguridad

Llama piloto

Suministro de

aire

No enciende

el sistema

Indicador de

Falta de

flama

Controlador

eléctrico

Indicador de

paro por alta

Temperatura

Alimentación

de gas

combustible

Interruptor de

presión

Sensor de exceso

de temperatura de

gases de

combustión

ANEXO C


Sensor de

temperatura

Válvula de

derivación

Indicador

de

presión

Indicador de

paro por

Temperatura

alta

Exceso de

presion

Válvula de

seguridad de

presión

Válvula de

retención

Interruptor de

presión

Controlador

de

temperatura

Sensor de

temperatura

Conexión de

vapor a otras

unidades

Condensador

Válvula de

alivio del

condensador

Condensador

Válvula de

retención

Válvula de

control del

eyector aire

Suministro de

agua de

enfriamiento

Sensor de

temperatura

Chorro de

agua del

eyector de

aire

Desagüe

Indicador de

flujo de agua de

alimentación

con válvula

Sensor de

temperatura

Sensor de

temperatura

Desagüe de

agua de

enfriamiento

Interruptor de

condensador

Indicador de

presión

ANEXO C


Conexión de

retorno de

condensados

Válvula de

retención Acumulador

Bomba de

alimentación

Válvula de

retención Desagüe

Deposito

suplementario

Válvula de

controlde deposito

suplementario

Valvula verter

Válvula

solenoide

Válvula de

control de

condensados

Medidor de

flujo de agua

de

alimentación

Sensor de

temperatura

Válvula de

retención de

agua de

alimentación

Generador

Sonda de

muestreo de

CO2/CO

Medidor de

CO2/CO

Sensor de

temperatura

Termina proceso

ANEXO D


ANEXO D DTI DE LA PROPUESTA

ANEXO D DTI DE LA PROPUESTA

DE CONTROL


DIBUJÓ

REVISÓ

APROBÓ

REVISÓ

APROBÓ


DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO FECHA DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO

S

S

FI

TE

FI

TE

FCV

PI

S

FVTE

TE

TIH

TI

AI

TE

TE

PI

PSV

PS

TE

PS

TIH

BIL B

TE

TS

TC

A PROCESO

GS

WS

P

P

P

AT

PSV

05A

05

05B

02

02

02B

02

02

06

06

06A

06B05B

04

04

04

02A

04

0707

01

02

01

02

02

02A

02

LT

S

SS

LC

03

03

AS

FT

07B

FC

07

19/1

FT

07A

FY

07

FV07A

FV

02B

FY

02PT

03

FV05A

FV03B

FV

02C

FV03A

PC

03



PLC SCL 5/04

PLC SCL 5/04

FV

02

ANEXO E ANEXO E


ANEXO E PROGRAMACIÓN EN ESCALERA

ANEXO E ANEXO E


ANEXO F ANEXO E


ANEXO F DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE LA INSTRUMENTACION AL PLC

Las siguientes imágenes muestran de una manera esquemática como se

conectaría cada uno de los instrumentos y señales de entrada y salida al PLC.

Conexión de señales de entrada al Modulo 1746-IB8.

Conexión de señales de salida al Modulo 1746-OB8.

ANEXO F ANEXO E


Conexión de señales de entrada al Modulo 1746-NI4.

Conexión de señales de salida al Modulo 1746-NO4I.

ANEXO G


ANEXO G SIMBOLOGÍA DEL DTI

ANEXO G SIMBOLOGÍA DEL DTI


DIBUJÓ

REVISÓ

APROBÓ

REVISÓ

APROBÓ


DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO FECHA DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO

SIMBOLOGÍA DE INSTRUMENTOS

FCV VÁLVULA DE CONTROL DE FLUJO

FC

BIL SENSOR DE FLAMA

LOCALIZACIÓN EN

CAMPO

LOCALIZACIÓN EN

TABLERO

PRINCIPAL

CONTOLADOR

LOGICO

PROGRAMABLE

IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS

PI

04

VARIABLE MEDIDA

FUNCIÓN

NÚMERO DE LAZO

ANALISIS

AT TRANSMISOR DE ANALISIS

AI INDICADOR DE ANALISIS

FLUJO

FV VÁLVULA DE FLUJO

CONTROLADOR DE FLUJO

FI INDICADOR DE FLUJO

FT TRANSMISOR DE FLUJO

TEMPERATURA

TE SENSOR DE TEMPERATURA

TI INDICADOR DE TEMPERATURA

TIH SENSOR DE TEMPERATURA ALTA

PRESIÓN

PI INDICADOR DE PRESIÓN

PC CONTROLADOR DE PRESIÓN

PSV VÁLVULA DE SEGURIDAD DE PRESIÓN

PS INTERRUPTOR DE PRESIÓN

PT TRANSMISOR DE PRESIÓN

NIVEL

LC CONTROLADOR DE NIVEL

LT TRANSMISOR DE NIVEL

VARIOS

SIMBOLOGÍA DE INSTRUMENTOS

VÁLVULAS

SENAL ELECTRICA

SENAL DIGITAL

SENAL NEUMATICA

SEÑALES

DE RETENCIÓN CHECK

DE CONTROL MANUAL

DE SEGURIDAD

INSTRUMENTOS Y EQUIPOS

FIROTAMETRO

CONDENSADOR

ACUMULADOR

BOMBA DE ALIMENTACIÓN

FILTRO

GENERADOR DE VAPOR

VENTILADOR

TC CONTROL DE TEMPERATURA

B QUEMADOR

FY CONVERTIDOR DE SEÑAL

P DESAGUE

HV VÁLVULA MANUAL

CONTROL DE UN GENERADOR DE VAPOR DIDÁCTICO...

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