Simulador de los Lazos de Control de una Central Termoeléctrica Ciclo Combinado

Author(s):
Rafael Neri Fernández - Universidad Veracruzana

Industry:
University/Education

Products:
Report Generation Toolkit, Development System, LabVIEW, PID Control Toolkit, Control Design and Simulation Module

The Challenge:
Cada sistema de control implantado en un equipo está diseñado para tratar de mantener bajo control un proceso específico, tomando diferentes variables del medio, como son temperatura, presión, nivel, etc. Con el tiempo, estos dispositivos suelen irse deteriorando, causando lectura errónea en los sensores, provocando una serie de fallas que repercuten en el proceso. Por este motivo, es necesario llevar a cabo una simulación de los proceso de control aplicados en los diferentes sistemas de generación, con el fin poder prevenir posibles fallas. Además de facilitar la capacitación a los trabajadores acerca de los procesos llevados a cabo en la planta.

The Solution:
Por medio de LabVIEW, se realizó la simulación de los procesos de generación de energía eléctrica, pudiendo variar los parámetros que intervienen dichos procesos y logrando así ver la respuesta del sistema de control y los eventos que esto genere.

Introducción:

El programa simula los efectos del control en el recuperador de calor, la turbina de gas y la turbina de vapor utilizados para generar energía eléctrica en una Central Termoeléctrica Ciclo Combinado, así el personal puede realizar prácticas y analizar dichos efectos que se tengan sobre cada uno de estos elementos cuando se someta a distintos cambios en sus configuraciones, sin riesgo de dañar a la turbina ó de detener la generación de energía cuando ésta se encuentre en funcionamiento, todo esto en un ambiente amigable y fácil de utilizar.

Descripción de la aplicación:

Para tener una definición exacta del sistema que se deseó simular, primeramente fue necesario hacer un análisis preliminar de éste, con el fin de determinar la interacción con otros sistemas, las restricciones que poseía, las variables que interactúan dentro de dicho sistema y sus interrelaciones, así como los resultados que se esperaban obtener de dicho estudio.

 Una vez definidos los resultados que se esperaban obtener del estudio, se definió y construyó el modelo con el cual se obtendrían los resultados deseados. En la formulación del modelo fue necesario definir todas las variables que forman parte de él, sus relaciones lógicas y los diagramas que describían en forma completa el modelo.

 Una parte importante y fundamental del proyecto fue definir con claridad y exactitud los datos que el modelo iba a requerir para producir los resultados deseados.

 Con el modelo definido, el siguiente paso fue decidir cuál era el lenguaje de programación ideal para procesarlo en la computadora y obtener los resultados deseados. Se hizo una breve investigación sobre las ventajas y desventajas aplicadas a las ideas del proyecto que ya se tenían previamente establecidas, donde finalmente se tomó la decisión de utilizar la paquetería de LabVIEW debido a su interfaz gráfica  y gran número de herramientas (ver Fig. 1).

 La siguiente etapa del estudio después de que fueron programadas las simulaciones fue la experimentación, la cual consistió en generar los datos y realizar un análisis de los mismos; en esta etapa se interpretaron los resultados que arrojó la simulación y con base a esto se tomó una decisión sobre el funcionamiento del proyecto.

 A través de esta etapa fue posible detallar deficiencias en la formulación del modelo o en la programación de las variables. Las formas utilizadas para validar el modelo fueron:

1.            La opinión de expertos sobre los resultados de la simulación.

2.            La exactitud con que se generaron los datos históricos.

3.            La comprobación de falla del modelo de simulación al utilizar datos que hacen fallar al sistema real.

4.            La aceptación y confianza en el modelo de la persona que hará uso de los resultados que arrojó el experimento de simulación.

  Por último se definieron los tipos de documentación que son requeridos para hacer un mejor uso del modelo de simulación.

A continuación se hará una descripción funcional del proyecto.

El menú principal del programa sirve para visualizar y desplazarse a través de las distintas interfaces del programa, por lo cual también se le conoce con el nombre de “Listado de Gráficos”. Éste se encuentra organizado de tal manera que el usuario pueda observar el nombre de las interfaces referentes a cada una de las unidades (ver Fig. 2).

El panel de control de las unidades es un despliegue gráfico de la interfaz hombre-máquina del sistema, con la capacidad de operar los lazos de control y desplegar la información más relevante de la operación de cada unidad. Se tiene un panel para cada una de las turbinas de gas y vapor, y otro para el recuperador de calor.

Para utilizar el panel es necesario que se encuentre como ventana activa, al frente de todas las ventanas que se hayan abierto en la estación del operador. El manejo del panel de control se realiza fundamentalmente por medio del mouse, que permite seleccionar y activar cualquiera de los elementos dinámicos del panel.

Todos los despliegues ó IHM tienen dos áreas (parte superior izquierda y parte inferior central) para los botones de navegación, utilizados para desplazarse entre las diferentes unidades en función del sistema (turbina de gas, turbina de vapor y recuperador de calor) al que pertenecen. Estos cuentan con un icono bitmap para botones de navegación que representa los equipos principales del sistema a que pertenecen y una descripción corta del mismo (ver Fig. 3).

El panel frontal del lazo de control es una pantalla donde están representados los indicadores y los controles del proceso. Para poder obtener cambios en la respuesta del controlador PID, y éste dispone de ciertas variables a las que puede acceder el usuario, como los puntos de ajuste o la salida de la válvula mediante el potenciómetro que controla su porcentaje (ver Fig. 4).

En los despliegues de los lazos de control de los distintos procesos se pueden observar los siguientes elementos:

a) Gráficas.

Para el despliegue de las variables como el proceso y el punto de ajuste, la cual las muestra en un rango en donde también se pueden visualizar los límites por medio de líneas punteadas. La gráfica que se encuentra debajo solamente se refiere a la salida del controlador.

b) Barras.

Se muestran las variables con indicación de barra que pueden variar sus parámetros tales como el punto de ajuste y la variable del proceso, por medio de éstos controles el usuario puede utilizar el programa de una manera interactiva. También se tiene otra barra que sirve para mostrar la salida del controlador, es decir el valor que toma la válvula.

c) Botones.

Los botones en cada panel de control se utilizan para enviar comandos al controlador correspondiente.

El panel frontal para reportes es una herramienta que sirve para visualizar y almacenar los datos de cada una de las variables que componen a las diferentes unidades. Es una interfaz que consta de una gráfica y una tabla donde se van registrando los cambios de las variables, esto es de gran utilidad para tener un conocimiento sobre cómo cada uno de los procesos reacciona a los diferentes parámetros que el usuario introduce.

Además el programa tiene la capacidad de enviar la información al programa Microsoft Office Excel donde puede ser analizada con mayor detenimiento.

La información que se muestra en Excel es una gráfica y una tabla con cada una de las mediciones y la hora en que se adquirió. En la parte superior del archivo se puede observar el título referente a la unidad de la cual se hizo el reporte, el nombre del operador; así como la fecha y hora de la creación del reporte. La distribución de la información se cataloga de acuerdo al tipo de dato adquirido (ver Fig. 5).

Conclusión:

El área de Control es una de las más importantes para el manejo de una central termoeléctrica. Pero el conocimiento de las técnicas de control no debe ser exclusivo de dicha área, sino que es de suma importancia que el personal de operación también las domine, e incluso, se podría decir que actualmente se ha convertido en una necesidad debido al desarrollo acelerado en cuanto a capacidad y tecnología de las centrales.

Este esfuerzo se verá recompensado a corto plazo al reflejarse en una mayor tranquilidad y seguridad a la hora de operar el equipo, además de que redundará en un mayor beneficio para la empresa al reducirse el número de fallas atribuibles al error humano.

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Rafael Neri Fernández
Universidad Veracruzana
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VeracruzMX
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