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FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIAFACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

CÁTEDRA: “SISTEMAS DE CONTROL”DOCENTE: Prof. Ing. Mec. Marcos A. Golato

APLICACIONES DE SISTEMAS DE CONTROLAPLICACIONES DE SISTEMAS DE CONTROLESQUEMAS USUALES DE SISTEMAS

AUTOMÁTICOSAUTOMÁTICOS(SEGUNDA PARTE)

1Cátedra: “Sistemas de Control ” – TEO – 11/16


Control de caudalEl control de flujo de un proceso o regulación de la capacidadvolumétrica de impulsión de bombas dinámicas o de desplazamientopositivo dependen del tipo de impulsores como así también de suspositivo, dependen del tipo de impulsores, como así también de susaccionamientos .

Bombas centrífugas accionadas porMotor eléctricoTurbina de vaporMotor de combustión interna

Bombas volumétricas a pistón accionadas por

Motor eléctricoMotor de combustión internaaccionadas por

Bombas volumétricas a engranajes

Motor de combustión interna

Motor eléctrico

2

g j

Cátedra: “Sistemas de Control ” – TEO – 11/16


Curva característica de una bomba centrífuga

Para modificar el caudal dela bomba se incorpora unaválvula de control queqaporta una pérdida de cargaconcentrada y variable.

Pto A: Equilibrio único si la únicaresistencia fuese la pérdida decarga de la instalación.

Pto B: La válvula toma parte de lapérdida de carga total (se adoptaun 30% de H o 50% de H )un 30% de HA o 50% de HN).

Pto C: La válvula toma gran partede la pérdida de carga total (se

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p g (adopta de 7 a 10% de QA).



Curva característica de dos bombas centrífugasiguales en paralelog p



Curva característica de dos bombas centrífugasdiferentes en paralelop



Curva característica de dos bombas centrífugas en serie



Esquema básico de control de caudal

Caso común de control de la capacidad impulsora de

na bomba centríf gauna bomba centrífuga accionada por motor eléctrico, mediante lazo de control de caudal con válvula estrangulando la salida.



Control de bombas en paraleloControl de baja presión en el colector de agua de alimentación.

Control de bombas centrífugas accionadas por - P/ estado estable: bomba 1

encendida.- P/ aumento de la demanda de vapor: Presión colec agua

accionadas por motor eléctrico, según la contrapresión con de vapor: Presión colec. agua

disminuye, arranca bomba 2.

Control para consumo

contrapresión con bajo o alto consumo inicial. PSL: Presostato de baja presión.

PSH: Presostato de alta presión. Control para consumo inicial alto.- P/ estado estable: bomba 1 + bomba 2 en marcha.

PZY: Interruptor eléctrico (contactor).

- P/ régimen normal (demanda de vapor nominal o baja): El PSH se encarga de sacar de servicio la bomba 2

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servicio la bomba 2.



Control de bombas en serie

Control de bombas centrífugas accionadas por motor eléctrico, conectadas enserie con desvío automático de la segunda cuando esta parada. El sensor de altapresión (PSH) arranca la bomba y cierra la válvula cuando aumenta lapresión (PSH) arranca la bomba y cierra la válvula cuando aumenta lacontrapresión del sistema.

Control para presión inicial baja.- P/ estado estable: bomba 1 enmarcha.- P/ aumento de la contrapresión seactiva el PSH se encarga de poneren marcha la bomba 2 cerrando laen marcha la bomba 2 cerrando laVC que es normal abierta.


FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIA

Control de bombas centrífuga con accionamiento

FACULTAD DE CIENCAS EXACTAS Y TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Control de bombas centrífuga con accionamiento a turbinaEste tipo de accionamiento presenta la ventaja de que no posee pérdida de cargapor estrangulación del flujo de salida de la bomba. Posee un costo inicial elevado.Se utiliza para grandes potencias (100 a 400HP)Se utiliza para grandes potencias (100 a 400HP).



ObservacionesEstos sistemas de control deben ser aptos para trabajar entre el 15% y el

100% de su capacidad en automático.

La capacidad de una caldera de vapor, es sinónimo de producción devapor y su equivalente en caudal de agua de alimentación.

La caldera es un equipo que aumenta la pérdida de carga con laproducción, por lo que la presión del agua de alimentación a la entrada deld d b l 20% l ió d á i ddomo debe ser por lo menos un 20% mayor a la presión de vapor máxima dela caldera.

Muchas veces cuando existen grandes variaciones en el consumo deMuchas veces, cuando existen grandes variaciones en el consumo devapor, el servicio de agua de alimentación debe ser provisto por dos o tresbombas, independientes de las consideradas de reservas o auxiliares.



Control de nivel de domo Este control permite mantener el nivel de agua en el domo dentro deestrechos límites, pues variaciones del mismo tanto en defecto comoen exceso son perjudiciales Este control se encuentra asociado alen exceso son perjudiciales. Este control se encuentra asociado alcontrol del caudal del agua de alimentación a la caldera.

Ocasiona bajarefrigeración

Nivel de domo

Bajog

en los tubos

Alto Ocasiona arrastrede agua a la líneade vapor

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de vapor



Balance másico en el domo

DOMO

Wa (agua alimentación)

Ws (demanda vapor)

Wp (Purga)p ( g )

Un nivel de agua permanece constante cuando: Wa = Ws + Wp

Si consideramos q e: 3Si consideramos que: γa = peso específico del agua en el domo en [kg/m3].S = superficie del espejo en [m2].

dh [Wa – (Ws + Wp)]Entonces: S . γa . dh = [Wa – (Ws + Wp)] . dt dh

dt=

[ a ( s p)]

S . γa

14Representa la variación del nivel.



Balance másico en el domoh t

Suponiendo que h = nivel normal p/ t = 0: dh dt=[Wa – (Ws + Wp)]

ht t

Suponiendo que hN = nivel normal p/ t = 0: dh dtS . γa

hN 0

Entonces: h(t) - hN =[Wa – (Ws + Wp)]

t

. T =[Wa – (Ws + Wp)]

. t(t) N

S . γa 0S . γa

Ahora si t = T y h( ) = h í p/ W = 0:Ahora si t Tt y h(t) hmín p/ Wa 0:

h(t) - hN =– (Ws + Wp)

. Tt hN - hmín =(Ws + Wp)

. Tt

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(t) NS . γa

t N mínS . γa

t



Constante de transición de la caldera

(Tiempo de transición o cte de transición de la caldera).

Si llamamos H = (hN - hmín)(Ws + Wp)H . S . γaTt =

Es el tiempo que transcurre desde el momento en que se suspendió laalimentación de agua (Wa = 0) hasta el momento en que el nivel alcanzó su

l í i (h ) t d i i l t l i l l l ( )valor mínimo (hmín.), estando originalmente el nivel en su valor normal (hN).

La constante “Tt” condiciona el tiempo deLa constante Tt , condiciona el tiempo de reacción de los controladores

P/ Calderas pequeñas Tt = 10 a 50 [seg]P/ Grandes calderas modernas Tt = 20 a 140 [seg]



ObservacionesVariaciones del nivel en función del consumo:

Analizando la ecuación se observa que lasi i d i l d i t i

dh=

[Wa – (Ws + Wp)]

Variaciones del nivel en función del consumo:

variaciones de nivel son de signo contrario alas de consumo.

dt S . γa

Respuesta inversa:Respuesta inversa:Ws

Ante una variación brusca de lademanda en un intervalo ∆t el signo de

th(t)

demanda, en un intervalo ∆t el signo dela variación de Ws es el mismo que elde h(t). h(t)

Al aumentar bruscamente el consumo de vapor,baja la presión y en consecuencia se produce unasúbita ebullición en el seno del líquido que da

17t∆t

súbita ebullición en el seno del líquido que daexternamente una imagen falsa del nivel. .



MEDICIÓN DE NIVEL DE AGUA EN DOMOS DE CALDERAS

Configuración del transmisor de presión diferencialelectrónico con señal de salida analógica variable de 4mA(0%) a 20mA (100%):Presión máxima = -500 [mmCa ]p/ nivel mínimo (0%) la PD = -500[mmCa]p/ nivel máximo (100%) la PD = 0[mmCa]

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p ( ) [ ]p/ PD = -250 [mmCa] la señal del transmisor es 50% (12mA).



Sistema de control de nivel de un elemento


Sistema de control de nivel de un elemento.En este sistema de control, el nivel es la única señal que se usa para regular el aguade alimentación al domo de la caldera.

• Se adopta en calderaspequeñas y lentas (p/

Diagrama P&I

p q y (ptiempo de residencia > 8 a10 [mín]).

• También en calderas con• También en calderas consuaves variaciones de lapresión del agua dealimentación y del consumoalimentación y del consumode vapor.

• Utilizadas en calderashumotubulares y encalderas antiguas degrandes domos > 1,5m dediá t

Diagrama de bloques

19diámetro.



Sistema de control de nivel de dos elementos


Sistema de control de nivel de dos elementos.En este sistema de control, las señales para regular el agua de alimentación,provienen del nivel de domo y del consumo de vapor.p y p

• Compensa variacionesrápidas de consumo de

idi d t

Diagrama P&I

vapor, midiendo estaperturbación.

• Se adopta para calderasmedianas con presiónconstante del agua dealimentación y variacionesno bruscas del consumo devapor.

• La avanacción de la señalDi d bl La avanacción de la señalde caudal, modifica en elsentido adecuado la aperturade la válvula del agua de

Diagrama de bloques

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galimentación.



Si t d t l d i l d t l t (1 t l d )


Sistema de control de nivel de tres elementos (1 controlador).Las señales para regular el agua de alimentación, provienen del nivel de domo, del consumo devapor y del caudal de agua de alimentación.p y g

Diagrama P&I

• El FY, aplica un factorde sensibilidad a lasuma de las señales decaudales.

• El LT ajusta• El LT ajustadiferencias en lasmediciones de loscaudales debido a

Diagrama de bloques

caudales debido apérdidas y a las purgas.

• El FC recibe una señald icompensada que corrige

sobre el lazo de caudalde agua dealimentación

21alimentación.



Sistema de control de nivel de tres elementos (2 controladores)


Sistema de control de nivel de tres elementos (2 controladores).

Diagrama P&ICon avanacción en lazo primario

• Sistema de controlcascada nivel caudal +

lazo primario

cascada nivel-caudal +avanacción caudal.

• La avanacción entraen el lugar adecuado,entre los lazos externo einterno.

Diagrama de bloques • Permite factibilidadde ajuste en lacompensación y en lasp yacciones de control.



Sistema de control de nivel de tres elementos (2 controladores)


Sistema de control de nivel de tres elementos (2 controladores).

Diagrama P&I Con avanacción en

• Sistema de control

lazo secundario

cascada nivel - caudal +avanacción caudal.

• La variable de lazo• La variable de lazointerno es la diferencia dede caudales de agua y

Diagrama de bloquesvapor.

• El FY es empleadosobre el lazo de nivelsobre el lazo de nivelpara la corrección de lasdiferencias.



Control de presión de hogar – Opción básica Este sistema de control permite mantener constante la presión en el interior

Diagrama de bloquesDiagrama P&I

Este sistema de control, permite mantener constante la presión en el interiordel hogar de la caldera.



Observaciones

C t l bá i i d d i l t l d j d l• Control básico con independencia en los controles de manejo delaire de combustión y de la presión de hogar.

• El control de presión de hogar actúa directamente sobre el VTI.

• Para demanda de energía el FC abre el registro del VTF lo que• Para demanda de energía, el FC abre el registro del VTF, lo queaumenta la presión del hogar. El PC debe equilibrar esta presión.

• Provoca oscilaciones continuas por la interacción entre los lazosde caudal de aire y presión del hogar.

• Un modo de disminuir el efecto es lentificar el sistema,retardando unos de los lazos.

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retardando unos de los lazos.



Control de presión de hogar – Opción básica con variante




Ob i


Observaciones

• Control con la acción de dos controladores. El FCA sobre amboselementos finales (registro VTI y VTF), y el PC con accióncomplementaria sobre el registro del VTI.

• El FCA maneja ambos registros sin interacciones respondiendoEl FCA maneja ambos registros sin interacciones, respondiendosimultáneamente al control de hogar.

• El PC suma su salida en forma complementaria a la del FCAsobre el VTI, dando eventuales reacciones del control de caudal,d it d t ú á id tde menor magnitud, que se atenúan rápidamente.



Control de presión de hogar – Opción avanzada




Observaciones

• Control sencillo de la presión en el hogar, mantiene saltos depresión constante entre el medidor y el registro del aire.

• Naturalmente da lugar a que la presión en el hogar varíeindeseablemente.indeseablemente.

• Debido a las magnitudes de presiones con que se opera, elt ti l dcosto operativo es elevado.

• Provoca consumos mayores, entre el 5 y el 10%, de potenciay , y , pen el motor del VTF por aumento de la densidad interna delaire en el ventilador.



C t l d t t d l i d b tió


Control de temperatura del aire de combustióncon ajuste por temp. ambiente.




Ob i


Observaciones

El l d t l d t t d l i l h l t• El lazo de control de temperatura del aire al hogar, es lento ydepende de las áreas de intercambio de calor.

• Este ejemplo posee una corrección en base a la perturbación dela temperatura ambiente. Los cambios ambientales son tambiénplentos.

• El FY aporta sensibilidad al TTa dando la función de compensar• El FY aporta sensibilidad al TTa, dando la función de compensarlos cambios cíclicos de Tamb.

• No tiene en cuenta los cambios de calor suministrado por elcalentador de aire (ICQ).



Control de temperatura del aire de combustión con ajuste en función del intercambio en el ICQ.con ajuste en función del intercambio en el ICQ.




Observaciones

• Este sistema de control tiene en cuenta las variaciones detemperatura en el ICQ, debidas a las oscilaciones propias delcontrol de hogar.

• Además, posee una corrección por la perturbación de laAdemás, posee una corrección por la perturbación de latemperatura ambiente.

L ñ l i t d l TDT l d T b i• La señal proveniente del TDT, se suma a la de Tamb. e ingresaal lazo de control del registro del VTI, ajustándolo para

i l i i d Tcorregir las variaciones de Ta.



Control de temperatura del vapor sobrecalentado


Control de temperatura del vapor sobrecalentadoEste control permite controlar la temperatura del vapor a la salida dela caldera. Normalmente se realiza por medio de la atemperación.

Factores que influyen en la temperatura final de vapor:

- Exceso de aire.

- Temperatura del agua de alimentación.

- Tipo de combustible.

- Ensuciamiento de la superficie de calefacción.

Atemperación Indirecta:

Se basa en producir modificaciones en las condiciones del lado de los gases (variación de la radiaciónde los quemadores o desviación de la circulación de gases a través del sobrecalentador)de los quemadores o desviación de la circulación de gases a través del sobrecalentador).

Atemperación Directa:

Este método se basa en la disminución de la temperatura del vapor sobrecalentado por medio del

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Este método se basa en la disminución de la temperatura del vapor sobrecalentado por medio delintercambio térmico por contacto directo o indirecto del vapor con otro fluido de menor temperatura.



At ió di t


Atemperación directa

El método universalmente de• El método universalmente demayor utilización se basa enla inyección directa de aguadentro de la corriente devapor sobrecalentado.

• Este circuito se caracteriza• Este circuito se caracterizapor contar con una rápidarespuesta ante las variacionesde temperatura.

• La desventaja de estemétodo radica en lamétodo radica en lanecesidad de inyectar agua dealta pureza entre dos etapas

i d35

sucesivas desobrecalentamiento.



Lazos de control de temperatura de vapor sobrecalentado.

• El control de unelemento tiene encuenta solo latemperatura final delvapor.

• El control de dosEl control de doselementos tiene encuenta el vapor final yel grado degatemperamiento.

• El control de treselementos tiene enelementos tiene encuenta además, lavariación del flujo degases

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gases.



Control de temp de vapor sobrecalentado


Control de temp. de vapor sobrecalentadoCaldera Mellor Goodwin VU40 – 120 [tnvapor /h]

• Control de la temperatura delDiagrama P&ID • Control de la temperatura delvapor sobrecalentado: CascadaTemp.-Caudal + Avanacción pura(diferencia de temp. Sobrec.

g

(diferencia de temp. Sobrec.Primario).

• Sistema con condensador para ell t i t d l dcalentamiento del agua de

alimentación a la caldera.

• Acción diferencial de la temp. depentrada y salida delsobrecalentador primario (TDT),sobre el lazo de control del agua deatemperación.

• Se tiene en cuenta el efecto de loscambios en el control de hogar y

37

cambios en el control de hogar ybalance de energía.



C t l d t d b l t d


Control de temp. de vapor sobrecalentadoCaldera Mellor Goodwin VU40 – 120 [tnvapor /h]

Diagrama de bloques


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