Diagnóstico de fallas en el generador de vapor de una

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Boletín IIE, enero-marzo del 2007
Diagnóstico de fallas en el generador
de vapor de una termoeléctrica
usando redes de Petri
Dionisio A. Suárez Cerda, Alfredo Sánchez López,
José E. Martínez Prieto* y Carlos D. García Beltrán*
En este artículo se presenta un esquema de diagnóstico de fallas, aplicado al generador de vapor de una
unidad termoeléctrica, basado en técnicas de modelado de sistemas dinámicos mediante redes de Petri.
Frente a otros métodos, el esquema ofrece mayor facilidad para su implementación, rapidez de adaptación
ante cambios de zona de operación y buena robustez.
Introducción
C
on el tiempo, todo sistema físico manifiesta modificaciones en la dinámica de su
funcionamiento. Esto puede atribuirse a diferentes causas, como por ejemplo,
desgaste por fricción, deterioro por sobrecalentamiento o envejecimiento natural, entre otras. Estos cambios evolucionan gradualmente, hasta llegar a convertirse
en fallas relacionadas con la confiabilidad, disponibilidad, eficiencia, seguridad y continuidad de la operación, las cuales afectan gravemente los índices de desempeño del
sistema.
Debido al considerable incremento en el tamaño y a la complejidad de las plantas industriales, en la actualidad un operador está prácticamente imposibilitado para realizar
tareas de diagnóstico de fallas en línea. Aunado a esto, los riesgos físicos que pueden
derivarse de las fallas, incrementan la necesidad y el valor de un sistema automático de
diagnóstico. Es por esto que el desarrollo de sistemas de diagnóstico de fallas para la
industria está plenamente justificado.
Una manera de reducir el efecto de las fallas en un
sistema de producción, consiste de dos pasos. El primero es diagnosticar la falla tan pronto como ocurra y subsecuentemente poner en práctica acciones
correctivas. El concepto de diagnóstico de fallas se
relaciona con la primera etapa y comprende tanto
la detección, como la localización de ésta. Es decir,
además de determinar que una falla está presente,
se sabe en qué componente ha ocurrido. Con base
en lo anterior, es claro que un sistema de diagnóstico requiere supervisar las variables que caracterizan
el comportamiento de las fallas, a fin de detectarlas
en el momento en que se presenten e informarlo al
operador. Con esta información, el operador podrá
realizar las acciones correctivas necesarias para que
la planta siga operando en la medida de lo posible.
* Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico.
Actividades de investigación
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Descripción del problema
El generador de vapor de una unidad termoeléctrica es el sistema más importante de
ésta, debido a la complejidad y cantidad de los procesos que allí se realizan; por lo tanto
es importante garantizar su disponibilidad en todo momento.
El problema que se resuelve en este trabajo, consiste en el desarrollo del prototipo de
un sistema de diagnóstico para el generador de vapor de una unidad termoeléctrica. La
función del prototipo es reconocer los estados de riesgo o mal funcionamiento de los
componentes del generador de vapor, en cuanto se presenten en la operación.
En trabajos de investigación previos, realizados en el área de Supervisión de Procesos
del IIE, se han explorado con éxito las técnicas de redes neuronales y la lógica difusa
para el diagnóstico de fallas (Ruz Hernández, J. A. et al., 2005), (Aquino, H., 2005). Con
estos trabajos se ha encontrado, que en algunos casos específicos es mejor una técnica
que otra, de donde se infiere que un resultado más robusto puede ser alcanzado, mediante la implementación de un esquema de diagnóstico basado en diferentes métodos
complementarios, lo cual justifica la necesidad de explorar las propiedades de nuevas
técnicas en el campo de diagnóstico de fallas.
En este trabajo se presentan los resultados obtenidos tras la aplicación de redes de Petri para el diagnóstico de fallas. Las redes de Petri son una herramienta gráfica y matemática de modelado, que puede ser
utilizada en cualquier tipo de sistemas dinámicos. Con esta técnica se describe y estudia la información
proveniente de sistemas concurrentes, asíncronos, distribuidos, paralelos, determinísticos y estocásticos.
Esta herramienta gráfica se utiliza como ayuda visual de la estructura y conexiones del sistema, de forma
análoga a los diagramas de bloques, grafos de flujo o redes. Como herramienta matemática es posible describir ecuaciones de estado, ecuaciones algebraicas y otros tipos de modelos matemáticos, usados para
representar la dinámica del sistema analizado.
Para implementar el sistema de diagnóstico se sigue el método desarrollado por Lo, Ng y Trecat (Lo K. L.,
et al., 1997), el cual consiste en obtener un modelo de causalidad del elemento a diagnosticar, utilizando
una red de Petri denominada red hacia adelante. Una vez obtenido este modelo, se invierte el sentido de
los arcos de conexión, obteniéndose una red de Petri hacia atrás. Esto genera un modelo de falla. Con
base en la experiencia de los operadores se determinan los umbrales de detección y aplicando reglas de
disparo de las transiciones de la red, se producen señales que cambian el estado de la red de Petri y que se
interpretan como firmas de las fallas consideradas.
Redes de Petri
Fundamentos
Las redes de Petri aparecieron en la literatura con la tesis doctoral de Carl Adam Petri en 1962, como una
herramienta matemática que permitía modelar eventos discretos de una manera gráfica y fácil de visualizar. En la década de los setenta, su estudio y aplicación se extendieron debido a su versatilidad para el
análisis y modelado de sistemas dinámicos. Más tarde, en 1987, René David y Hassane Alla desarrollaron
el concepto de redes de Petri continuas (David y Alla, 1987) las cuales permitieron modelar eventos continuos. En 1991 se desarrollaron las redes de Petri híbridas. Esta nueva extensión combina los dos tipos de
redes de Petri mencionados anteriormente.
Conceptos básicos
Los conceptos listados a continuación se tomaron del libro Petri nets and grafcet de David y Alla (David y
Alla, 1992).
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Lugares, transiciones y arcos
Las redes de Petri son un tipo de grafo dirigido que se componen por
dos tipos de nodos: lugares y transiciones, donde los lugares son representados por círculos y las transiciones por rectángulos o por barras. Los lugares y transiciones se conectan entre sí por medio de arcos. El número de lugares y transiciones es finito y diferente de cero,
aunque pueden existir redes degeneradas que no contengan a alguno de éstos.
La Fig. 1 muestra una red de Petri que se compone de cinco lugares,
cuatro transiciones y diez arcos. El conjunto de lugares se denota por
P y el conjunto de transiciones es denotado por T, de donde, para este
ejemplo: P = {p1 , p2 , p3 , p4 , p5 } y T = {t1 , t2 , t3 , t4 }.
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Figura 1. Red de Petri.
P1
T1
P5
P2
T4
T2
P4
P3
T3
El lugar p1 es el lugar de entrada de la transición t1 y el lugar p2 es el
lugar de salida de la misma transición. Una transición sin lugar de entrada se llama transición fuente y una transición sin lugar de salida se
denomina transición destino.
Marcas
Figura 2. Red de Petri con
tokens.
P1
T1
P5
P2
T4
T2
P4
P3
T3
La Fig. 2 muestra una red de Petri con marcas en los lugares p1 y p4 , estas marcas se
denominan tokens. El número de tokens se expresa por M(Pi ) o por mi . En la red mencionada, se tiene que m1 = m4 = 1 y m2 = m3 = m5 = 0. El estado de la red está determinado
por el vector de tokens, para la red es M = (1, 0, 0, 1, 0). Los tokens pueden moverse por
la red y así cambiar el estado de la misma. Para que un token vaya de un lugar a otro, se
necesita que las transiciones sean disparadas.
Disparo de transiciones
Para disparar una transición, es necesario que en sus lugares de entrada exista al menos
el mismo número de tokens, que el valor del peso del arco de conexión. Por ejemplo, si
el arco que une el lugar de entrada con la transición tiene un peso de dos, se necesita
que el lugar tenga al menos dos tokens para que dicha transición pueda ser disparada,
en caso de que esto ocurra, se dice que dicha transición está activada. Una transición
fuente siempre está activada. En la Fig. 2, la transición t4 está activada y las transiciones
t1 , t2 y t3 no lo están.
El disparo de una transición consiste en tomar tantos tokens del lugar de
entrada como el peso del arco indique y agregarlos al lugar de salida.
La Fig. 3 muestra dos ejemplos de disparo de transiciones. En la Fig. 3b
se observa que no existe el disparo, ya que el lugar p5 tiene un número menor de tokens que el peso del arco que lo une con la transición 2.
Nótese que cuando el peso del arco es 1, no es necesario etiquetarlo.
Figura 3. Disparo de transiciones.
a)
Técnicas de álgebra lineal
b)
Notación y definiciones
Las definiciones siguientes son dadas por David y Alla (David y Alla,
1992).
Red de Petri ordinaria no marcada . Es una 4-tupla Q = P, T, Pre, Post¯,
donde:
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Actividades de investigación
P = {p1 , p2 , …, pm } es un conjunto finito de lugares.
T = {t1 , t2 , ... , tn } es un conjunto finito de transiciones.
P † T = … y P ‡ T x …, los conjuntos P y T son disjuntos.
Pre : P x T m {0, 1} es la aplicación de la entrada de incidencia.
Post : P x T m {0, 1} es la aplicación de la salida de incidencia.
Pre(Pi ,Tj ) es el peso del arco Pi m Tj ; el peso es de 1 si el arco existe y 0 si no.
Post(Pi ,Tj ) es el peso del arco de Tj m Pi .
Red de Petri generalizada no marcada. Se define como una red de Petri ordinaria no marcada, excepto que:
Pre : P x T m N
Post : P x T m N
donde N es el conjunto de los números naturales.
Se utiliza la siguiente notación:
Tj = {Pi E P | Pre (Pi , Tj ) > 0 } = conjunto de lugares de entrada de Tj
Tjo = {Pi E P | Post (Pi , Tj ) > 0 } = conjunto de lugares de salida de Tj
o
Pi = {Tj E T | Post (Pi , Tj ) > 0 } = conjunto de transiciones de entrada de Pi
Pio = {Tj E T | Pre (Pi , Tj ) > 0 } = conjunto de transiciones de salida de Pi
o
Red de Petri marcada. Es un par R = Q, M0 ¯, donde Q es una red de Petri no marcada y M0
es la marca inicial.
Con el uso de álgebra lineal para el análisis de redes de Petri, se introduce un cierto formalismo matemático, aplicable a las redes de Petri ordinarias y generalizadas.
Red de Petri pura. Una red de Petri es una red pura, si no existe ninguna transición que
tenga un lugar que sea al mismo tiempo de entrada y salida de la transición:
tj E T, pi E P, Pre (pi , tj ) Post (tj , pi ) = 0
[1]
Matriz de incidencia. Para una red de Petri N con n
transiciones y m lugares, la matriz de incidencia
A = [aij] es una matriz de n x m, y sus entradas típicas son dadas por:
ai j = ai j+ - ai j–
[2]
donde ai j+ = w(i, j) es el peso del arco de la transición i a su lugar de salida, j y ai j- = w(j, i) es el peso
del arco de la transición i a su lugar de entrada j. En
la Fig. 4 se muestra una red de Petri con su matriz
de incidencia.
Figura 4. a) red de Petri, b) matriz de incidencia.
[ ]
A=
Ecuación de estados. A partir de la matriz de incidencia se pueden obtener los estados siguientes
de la red, conociendo qué transición será disparada
y el estado actual de la red. Esto se puede realizar
aplicando la siguiente ecuación (Murata T, 1977):
d
Mk = Mk - 1 + AT
3u
k=1
k
k = 1,2...
[3]
a)
b)
-2
1
1
0
1
-1
0
-2
1
0
-1
2
7
En la Fig. 5 se muestra una red de Petri en su estado inicial (a) y un
estado siguiente (b), después del disparo de la transición 3. Nótese
como utilizando la ecuación de estados se pudo predecir el estado siguiente de la red (c).
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Figura 5. a) estado inicial, b) estado siguiente, c) ecuación de estados.
Diagnóstico de fallas con redes de Petri
La primera etapa en el proceso de diagnóstico, consiste en obtener
un modelo causal del sistema al cual se desea hacer el diagnóstico;
a partir de estos modelos de los elementos, se obtienen los modelos
de fallas, para esto, basta con invertir la dirección de los arcos de conexión de los elementos (Lo, K.L. et al., 1995). Además, se incluyen en
la red de diagnóstico algunas señales de alarmas, que serán de ayuda
para la labor de diagnóstico.
Este método consiste en seleccionar los elementos sobre los que se
hará el diagnóstico (separación de fallas) y una vez seleccionado el
elemento, se realiza un modelo causal de propagación de falla de dicho elemento. Esta metodología es una adaptación de la planteada
en la literatura por Lo, Ng y Trecat (Lo K.L. et al., 1997).
a)
b)
[][][ ][]
3
0
=
0
2
2
0
1
0
-2
1
+
1
0
1
-1
0
-2
1
0
-1
2
0
0
1
c)
El propósito del proceso de separación de fallas es deducir la operación de los elementos de la planta. Esto se logra analizando la información disponible mediante el uso de
un modelo de red de Petri. Los elementos candidatos de falla son modelados mediante
redes de Petri marcadas.
En esta etapa de desarrollo, el sistema de diagnóstico no utiliza un modelo matemático
de la planta, sino los modelos descriptivos causales obtenidos, pero como no se cuenta
con un modelo matemático, no se obtienen residuos para hacer diagnóstico, por lo que
el sistema de diagnóstico basa su operación en alarmas tradicionales (superación de un
umbral establecido) como son rangos de operación, que presentan los elementos de la
planta. En dado caso que una variable sobrepase el umbral establecido, se indica un síntoma; para que se declare una falla, es necesario que todos los síntomas se presenten y
de esta manera se descartan falsas alarmas.
En el modelo de red de Petri, los S-elementos (lugares) son formados por los elementos
que intervienen en la falla y los T-elementos (transiciones), son formados por la transición de la falla y el periodo de tiempo que ocurre entre la propagación de un elemento a
otro, es decir, los umbrales se establecen en las transiciones, así, cuando la última transición sea disparada, se establecerá la declaración de la falla.
El proceso de diagnóstico de fallas funciona esencialmente en dirección inversa al proceso de separación de fallas. Esto hace posible utilizar el modelo con red de Petri, con la dirección de todas las flechas
al revés. La red de Petri original es llamada red de Petri hacia adelante
y la utilizada en el diagnóstico se denomina red de Petri hacia atrás
(Fig. 6).
Figura 6. a) red de Petri hacia delante, b) red de Petri hacia atrás.
a)
b)
Para determinar los umbrales de operación se realizaron varias pruebas y con base en la experiencia adquirida en éstas, se establecieron
los límites normales de operación para las variables de interés. En algunos casos, las variables presentan un comportamiento oscilatorio y
puede sobrepasar en repetidas ocasiones el umbral propuesto; en estos casos, se obtiene la media de la señal y si ésta se encuentra dentro
del umbral, no se decreta el síntoma.
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Actividades de investigación
Modelado de la planta
El modelado del sistema se desarrolla a partir de la metodología planteada en la literatura por Lo, Ng y Trecat (Lo K. L. et al., 1997). Se elige el elemento a modelar y se buscan todos los elementos que se relacionan
funcionalmente con él y una vez identificados, se interconectan mediante la red de Petri, respetando las
relaciones causales existentes.
Los lugares se toman como los elementos interconectados y son marcados en caso de que dicho elemento
esté en operación. El disparo de las transiciones depende de la condición del número de tokens en sus
lugares de entrada; para fines de modelado, se busca tener uno lo más simple posible, ya que el principal
interés en esta etapa es definir la relación del elemento a modelar, con otros elementos de la planta.
Se eligieron como caso de estudio los siguientes elementos:
•
•
precalentador regenerativo norte
paredes de agua
De los componentes elegidos, uno pertenece al sistema aire – gases (precalentador regenerativo norte)
y otro al sistema de control de temperatura de vapor sobrecalentado y recalentado (paredes de agua). Se
eligieron estos elementos, dado que son primordiales en la operación del generador de vapor y en caso de
que presenten una falla, las consecuencias pueden llegar hasta el paro de la planta.
Modelo del precalentador regenerativo norte
Los gases producto de la combustión aún contienen energía, la cual puede aprovecharse de la siguiente forma (Comisión
Federal de Electricidad, 1997):
•
•
Disminuyendo la temperatura de gases: por cada 30 oC, la eficiencia de la caldera se incrementa en un 2.5 %
Aumentando la temperatura del aire: por cada 38 oC, la eficiencia de la caldera se incrementa cerca del 2%
Las funciones anteriores se consiguen en el precalentador de aire regenerativo (tipo Ljungstrom), donde el calor es transferido indirectamente de los gases al aire, a través de elementos metálicos de alta eficiencia térmica agrupados en paquetes (canastas). Estos elementos giran lentamente, por lo que absorben el calor del flujo de gases a su paso y posteriormente ceden
el calor al pasar por el ducto de aire. El ciclo se repite continuamente.
La planta cuenta con dos precalentadores regenerativos de aire (norte y sur), cada uno de ellos del 50% de capacidad, son de
eje horizontal, por lo que el flujo de aire pasa por la parte inferior y el flujo de gases por la parte superior. Cada precalentador
cuenta con los siguientes componentes (Comisión Federal de Electricidad, 1997):
Sellos mecánicos. Aun cuando los flujos de aire y gases están separados para evitar el contacto entre ellos, no se puede
evitar que el aire, por su mayor presión, se filtre hacia el lado de los gases. Esto provoca que la carga en los ventiladores de
tiro forzado aumente significativamente. Para contrarrestar lo anterior, se cuenta con sellos mecánicos en los espacios donde
pueden ocurrir filtraciones.
Motor eléctrico. El precalentador es puesto en operación por un motor eléctrico de 480 V. Mediante un reductor de engranes y una cremallera, el precalentador es girado a una velocidad de 480 RPM, la cual debe mantenerse siempre que la caldera
esté encendida, o en caso de paro, mientras la parte más caliente del precalentador (entrada de gases) esté arriba de 150 oC.
El precalentador puede ser detenido sólo por debajo de esta temperatura, para prevenir deformaciones en sus elementos y
posibles incendios debido a depósitos de combustible acumulado.
Turbineta neumática. Otro medio de accionamiento del precalentador regenerativo es una turbineta neumática, la cual
asegura el giro continuo, aun si la potencia del motor eléctrico se suspende o por falla del mismo. También se utiliza para
controlar la velocidad del precalentador durante un lavado de la superficie de calentamiento.
Las señales de interés para el precalentador regenerativo son el amperaje de su motor, las temperaturas de aire y gases a su
salida y la turbina del precalentador. El efecto que presenta en otros elementos de la planta es mínimo, por lo que no se consideraran otros elementos para el modelado.
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Boletín IIE, enero-marzo del 2007
Modelo de paredes de agua
Los tubos de paredes de agua son los que conforman el hogar. Su función es la de absorber el calor radiante de la combustión y transmitirlo al agua.
El agua sale del domo inferior, subiendo verticalmente por las paredes. En su paso por éstas, parte del agua
cambia de estado líquido a vapor, formándose así una mezcla agua–vapor, la cual llega a unos cabezales
superiores y ahí es dirigida hacia el domo superior, llegando por la parte superior del mismo. En el domo
superior, el agua es separada del vapor.
Las paredes de agua presentan una estrecha relación funcional con elementos del sistema de agua de
alimentación.
Fallas críticas en la operación del generador de vapor
Fallas relacionadas con el control de la combustión
El control de la combustión tiene por objeto controlar la mezcla de aire–combustible en el hogar en forma
segura y eficiente, manteniendo el equilibrio entre el calor generado y la demanda de vapor, para obtener
una salida de presión de vapor controlada. Una alta eficiencia de la combustión se logra con el exceso de
aire adecuado, para quemar la cantidad necesaria de combustible para cada quemador. Otro factor que
influye en la eficiencia de un generador de vapor, además de la buena combustión, es la disminución de
temperatura de los gases de la salida por la chimenea, pero esta disminución se verá restringida por la corrosión que provoca la baja temperatura de los gases con alto contenido de azufre, afectando a los calentadores de aire regenerativo, los cuales en estas condiciones se deterioran, envejeciendo prematuramente
por la corrosión. Con el control de la combustión en automático, se obtienen respuestas rápidas a variaciones de los parámetros principales, con una desviación mínima en la relación aire–combustible. Cuando el
control de la combustión opera en modo manual es factible que la eficiencia de la caldera disminuya, al no
mantener dicha relación en la cantidad adecuada.
Relación del sistema aire–gases y aceite combustible con otros sistemas
Sistema de agua de circulación y enfriamiento de auxiliares. Este sistema se relaciona mediante el suministro
continuo del agua de enfriamiento a los equipos auxiliares que requieren, por su diseño, de enfriamiento
con flujo de este líquido, como los enfriadores auxiliares de agua de servicios que enfrían a la chumacera
en el lado caliente de los precalentadores regenerativos.
Sistema eléctrico. La función principal del sistema eléctrico es proporcionar la energía eléctrica a la mayoría
de los equipos de la central.
Sistema de vapor secundario (generador vapor-vapor). Este sistema suministra la cantidad necesaria de vapor para el calentamiento del combustible, desde su manejo hasta llegar al quemador para su combustión, siendo los siguientes equipos los que alimenta: calentador del tanque de almacenamiento de combustible; área de descarga de carros tanque de ferrocarril; venas de calentamiento; calentador del tanque
de día y calentadores principales de aceite combustible.
Sistema caldera agua–vapor. El sistema aire–gases y aceite–combustible en conjunto suministran el calor
necesario para evaporar parte del agua que circula en las paredes del hogar, siendo una relación directa
entre estos sistemas.
Sistema de vapor sobrecalentado y recalentado. La combustión generada en el hogar desprende una cantidad elevada de energía en forma de calor radiante y gases calientes, afectando directamente al vapor
que circula por el sobrecalentador y el recalentador, cediéndoles gran parte de esta energía para lograr las
condiciones finales del vapor principal y recalentado.
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Actividades de investigación
Análisis de falla
La falla que se analizó para el sistema de control de combustión fue: Precalentador regenerativo atorado
norte.
Evolución y consecuencias de la falla
La capacidad del generador de vapor disminuye considerablemente al detenerse el precalentador y al incrementarse la temperatura por no haber transferencia de calor, principalmente por la baja temperatura
en el aire de entrada al hogar que servirá para la combustión.
La evolución de las variables afectadas al presentarse el disturbio, empezará a observarse en el amperaje
del motor del precalentador, el cual, se incrementará por encima de su valor normal, llegando a sobrepasar
su límite permitido de consumo de corriente, lo cual ocasionará que opere su protección por sobre corriente, activando la alarma correspondiente en el cuarto de control. Posteriormente, el amperaje del motor caerá a cero; desde el atoramiento del precalentador dejará de realizar su función, teniéndose mayor
gasto de combustible para la misma carga por el enfriamiento de aire para la combustión ya mencionada,
y aunque se intente girar el precalentador, esto no será posible ya que las variables involucradas evolucionarán hasta valores críticos.
La temperatura de gases a la salida del precalentador sube porque al pararse éste, deja
de existir intercambio de calor y la temperatura de los gases que antes se transferiría
al aire, hará que la temperatura en la salida del precalentador aumente. Al aumentar la
salida de los gases del lado frío, el control de temperatura de aire a la entrada del precalentador provocará que el promedio suba y como consecuencia, el aire que entra al
precalentador disminuye su temperatura. La temperatura del aire a la salida bajará aún
más por el atoramiento y al no haber transferencia de calor, la temperatura de los gases
subirá.
Esta diferencia de temperaturas en el precalentador lado aire y lado gases, someterán
a esfuerzos térmicos al material de éste y provocará fatiga. Podría presentarse mayor
flexión de su flecha y esto agravaría el atoramiento, además del derrateo de la unidad, si
no se realizan las acciones correctivas adecuadas. También se corre el riesgo del incendio del precalentador, aumentando el costo de los daños de la falla y como consecuencia la pérdida total de la generación de la unidad.
Causas que provocan la falla
Algunas causas que pueden provocar el atoramiento del precalentador son: que alguna
canastilla se desprenda; que los sellos se desajusten o se muevan de su posición; daño
del motor en los elementos de engranaje; daño o desgaste de las chumaceras y alguna
deformación en la estructura física del precalentador.
Las causas de desprendimiento de componentes se incrementa cuando la calidad del
combustible quemado en una central es baja, debido a concentraciones altas de elementos indeseables que para este caso sería el azufre, haciendo que la corrosión de los
elementos del precalentador provoque los daños mencionados (Ruz Hernández, J.A.
et al., 2005).
Simulación de la falla
La falla se simuló a los 30 minutos de operación y sus características son que es súbita y
permanente, además de que la falla es total, es decir, no existen niveles de atoramiento.
En las gráficas de las variables se puede observar el comportamiento con falla y sin falla
de las mismas, y a partir de este comportamiento, se establecen los umbrales para el
diagnóstico.
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Boletín IIE, enero-marzo del 2007
Las variables monitoreadas en esta falla son:
1.
2.
3.
4.
Temperatura de gases a la salida del precalentador norte (TGSPN)
Temperatura de aire a la salida del precalentador norte (TASPN)
Temperatura de metal lado frío del precalentador norte (TMLFPN)
Amperaje del motor del precalentador norte (AMPN)
Además se monitorearon los estados de las siguientes alarmas:
1. Precalentador norte disparo (APND)
2. Precalentador norte parado (APNP)
3. Turbina neumática del precalentador regenerativo en operación
Con base en la experiencia adquirida después de haber realizado múltiples pruebas, se determinaron los umbrales de detección indicados
en la tabla 1.
Tabla 1. Tabla de comportamiento y umbrales para las variables en la falla precalentador regenerativo norte atorado.
Variable
Temperatura de aire a la salida
del precalentador
Temperatura de aire a la entrada
del precalentador
Temperatura de metal lado frío
precalentador
Amperaje del motor precalentador
regenerativo
Comportamiento
ante falla
Umbral
Baja
500 oC
Baja
291.15 oC
Sube
326 oC
Cae a cero
0A
En esta falla, el tiempo de detección fue de 3 minutos, ya que la última condición en
cumplirse fue la temperatura de metal lado frío del precalentador.
Fallas relacionadas con el control de temperatura de vapor
sobrecalentado y recalentado
La finalidad del sistema caldera–agua y vapor sobrecalentado y recalentado en conjunto
es producir vapor desde las paredes de agua, pasando por los bancos de sobrecalentamiento, para darle al vapor la energía suficiente y así trabajar en la turbina para que le
transfiera toda su energía, evitando la formación de humedad que pudiera erosionar los
elementos de la misma. Previendo esto, también se realiza un recalentamiento al vapor
que ya se utilizó, con el fin de retornarle sus características térmicas y hacerlo trabajar
en las turbinas de presión intermedia y baja presión, sin riesgos de inseguridad para sus
componentes.
Relación con otros sistemas
La relación del sistema caldera–agua y vapor sobrecalentado, recalentado y auxiliar con otros sistemas, tiene como finalidad el conocimiento de los efectos ocasionados por la operación anormal de sus elementos
(Comisión Federal de Electricidad, 1997).
Sistema eléctrico. Alimenta los motores de las bombas de circulación forzada norte y sur. Al interrumpirse
la alimentación eléctrica a cualquiera de los motores de estas bombas, la generación deberá reducirse al
50% y en caso de faltar el suministro a las dos, la unidad no deberá continuar generando.
Sistema de agua de servicios y contra incendios. Suministra el agua en forma continua a enfriadores
auxiliares, al enfriador de los motores de las bombas de circulación forzada y al respaldo correspondiente
por parte del sistema contra incendio (los enfriadores de las bombas de circulación forzada) en caso de
emergencia.
Sistema de condensado. Existe relación entre el llenado inicial de los motores de las bombas de circulación forzada, en el repuesto de nivel del generador vapor/vapor en arranques y en emergencias. También
atempera el vapor primario cuando se alimenta vapor auxiliar al cabezal de vapor secundario, en caso de
no tener disponible al generador vapor/vapor.
Sistema de agua de alimentación. Suministra en operación normal el flujo de agua necesario para mantener el nivel del domo en su valor de operación. También suministra el flujo de agua a la presión necesaria, para la atemperación del vapor sobrecalentado y recalentado.
Actividades de investigación
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Sistema de aire–gases y combustible. La relación con este sistema se presenta mediante el suministro
del calor necesario para la evaporación del agua del generador de vapor, incrementando la temperatura
del vapor sobrecalentado y recalentado, y la producción del vapor con las condiciones necesarias para el
funcionamiento adecuado de la turbina.
Análisis de fallas
Las fallas y decrementos en el generador de vapor ocupan entre un 50% a un 32% del total de fallas ocurridas en una unidad, afectando el índice de disponibilidad, además de las causadas por decrementos, mantenimientos y otros factores en los que se cuentan los errores de operación y mantenimiento. Los costos
por la salida de la unidad son muy elevados cuando se presentan fallas en la caldera, debido al costo por
dejar de generar, a su reparación con reposición de materiales y a la mano de obra calificada (Comisión
Federal de Electricidad, 1997).
La manera para ayudar a incrementar la disponibilidad de una central consiste en mejorar la eficiencia de
sus componentes, incrementar su vida útil mediante la mejora de la operación y la seguridad, ya que resulta mucho más conveniente corregir estos problemas que implantar otro tipo de soluciones que resultarán
más costosas. La falla que se analizó en este sistema fue la rotura de tubos de pared de agua.
Evolución y consecuencias de la falla
Cuando se presenta esta falla y de acuerdo con su severidad, el nivel del domo tenderá a disminuir, haciendo que su control responda hacia mantenerlo, con el consecuente incremento del flujo de agua de alimentación, pero cuando este flujo sea insuficiente el nivel se abatirá, pudiendo llegar a operar el disparo del
generador de vapor, por abajo del nivel del domo y en caso de no operar esta protección, se corre el riesgo
de que el resto de los tubos de la pared de agua se quede sin refrigeración, con el consiguiente daño.
Igualmente, la presión del domo disminuirá como consecuencia del decremento en la producción del vapor originado por la falla y que posteriormente causará desviaciones al vapor sobrecalentado y recalentado, aumentando éstos su temperatura y disminuyendo su presión. Al recibir la medición de baja presión
del vapor sobrecalentado, el control de la combustión enviará la señal con la instrucción de incrementar
tanto el flujo de aire como de combustible, provocando que la presión en el hogar aumente, pudiendo
llegar al valor de disparo del generador de vapor por alta presión en el hogar. Además, la magnitud de la
fuga también contribuirá a la presurización. Otro parámetro será el incremento del flujo de agua hacia el
deaereador, causando disminución del nivel del condensador, con el aumento consecuente del flujo de
repuesto al ciclo y el abatimiento del tanque de agua de repuesto de condensado.
Si no se aplican las acciones correctivas a estos efectos originados por la falla, se podrían dañar los tubos
adyacentes de las paredes del hogar y existirían esfuerzos térmicos por la nula o baja circulación a través
de los tubos dañados, además de las altas temperaturas. También se sometería a la turbina a esfuerzos térmicos y empujes axiales, por condiciones de baja presión y alta temperatura del vapor, pudiendo presentarse rozamientos entre partes fijas y móviles, fisura o erosión por la formación de humedad, siendo más
crítico en los últimos pasos de la turbina de baja presión.
Causas posibles que provocan la falla
Las roturas en los tubos de una pared del hogar se presentan por diversas causas, por ejemplo: diseño
del generador de vapor, materiales utilizados y las condiciones de operación. En la parte de diseño se detectará con la incidencia de la misma falla, aun con las reparaciones adecuadas. Algunos factores son: la
circulación inadecuada de gases calientes en el hogar y una deficiente circulación o refrigeración de tubos;
los materiales utilizados con otra posible causa, ya que ocasionalmente el material presenta defectos en su
fabricación; o una selección inadecuada del mismo.
Otra causa son las condiciones operativas a las que se exponen los materiales, las cuales pueden controlarse con una operación correcta de los parámetros que contribuyen a la falla de tubería de paredes de agua.
Con el control de los parámetros se minimiza la formación del hollín, el cual es causado por problemas en
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Boletín IIE, enero-marzo del 2007
el quemador, como son: la insuficiente presión de vapor de atomización; la distribución inadecuada de la
mezcla combustible/aire por daño en sus componentes; cantidad inadecuada de aire para la combustión;
alargamiento de flama y concentraciones de azufre en los combustibles fósiles que, al incrustarse en la tubería, causarán corrosión. Durante variaciones de carga se presentan incrementos o decrementos de flujos
de aire, combustible, gases y flujo de vapor en la caldera, lo cual somete a la tubería a diversos esfuerzos.
Una reparación defectuosa, un tratamiento químico deficiente y arranques de unidad con condiciones inadecuadas, son otras causas que pudieran provocar daño a tubos de paredes del hogar (Ruz Hernández,
J.A. et al., 2005).
Figura 11. Modelo de falla rotura de tubos de pared de agua.
Simulación de la falla
La falla se simuló a los 15 minutos de operación y sus características
son: súbita y permanente, además de que la falla es total, es decir, no
existen niveles de rotura. En las gráficas de las variables se observa el
comportamiento con falla y sin falla de las mismas, y a partir de este
comportamiento se establecen los umbrales para el diagnóstico.
Las variables monitoreadas en esta falla son:
1.
2.
3.
4.
Flujo de agua de repuesto a condensado (FARC)
Flujo de agua de alimentación (FAAL)
Flujo de aire (FA)
Nivel del domo (NDO)
Además se monitorearon los estados de la alarma de bajo nivel del
domo (ABND)
Con base en la experiencia adquirida después de haber realizado múltiples pruebas, se determinaron los umbrales de detección indicados
en la tabla 2.
En esta falla, el tiempo de detección fue de 3.5 minutos, ya que la última condición en cumplirse fue el flujo de agua de alimentación.
Tabla 2. Tabla de comportamiento y umbrales para las variables en la falla rotura de tubos de pared de agua.
Variable
Flujo de agua de repuesto a condensado
Flujo de agua de alimentación
Flujo de aire
Nivel del domo
Comportamiento Umbral
ante falla
Sube
Sube
Baja
Baja
30 m3/h
25 m3/h
51.5 m3/h
0m
Conclusiones
Los resultados obtenidos de este trabajo, muestran que el sistema de diagnóstico desarrollado permite una rápida detección
e identificación de las fallas consideradas en el diseño. Asimismo, el carácter cualitativo del modelado por medio de redes de
Petri, lo hace fácilmente extensible a un conjunto de fallas tan grande como se quiera abarcar o bien, fácilmente adaptable a
los distintos rangos de operación de la planta, con el único requerimiento de reajustar los umbrales de detección. Esto, comparado con un sistema de diagnóstico con base en redes neuronales, representa grandes ventajas al no requerir de la etapa
de entrenamiento, la cual es complicada y azarosa.
Otra aplicación del modelado con redes de Petri que se desprende de este trabajo, es la determinación de alarmas, pues éstas corresponden a variables que han salido de su rango de operación nominal, sin que necesariamente corresponda a una
falla.
Sin embargo, como trabajo futuro queda pendiente una comparación más minuciosa de estos resultados con los obtenidos
previamente, a fin de determinar las ventajas y desventajas de trabajar con las distintas técnicas de diagnóstico que se han
ensayado en el área de Supervisión de Procesos del IIE.
El desarrollo del sistema basado en redes de Petri, junto con los desarrollados anteriormente, hace posible la implementación de un esquema de diagnóstico de fallas que utilice redundancia algorítmica, el cual permitirá un mejor desempeño en
las tareas de diagnóstico de fallas para el generador de vapor, de una unidad termoeléctrica.
Actividades de investigación
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Referencias
Aquino, H. (2005). Investigación de estrategias para la detección y diagnóstico de fallas en Centrales Termoeléctricas, Reporte técnico de estancia de Adiestramiento en Investigación Tecnológica, Instituto de Investigaciones Eléctricas.
Comisión Federal de Electricidad (1997). Manual del Centro de Adistramiento de Operadores Ixtapatongo Módulo 1, Unidad
1. México, pp 105.
Comisión Federal de Electricidad (1997). Manual del Centro de Adistramiento de Operadores Ixtapatongo Módulo 3, Unidad
2. México, pp 105.
David, R. and H. Alla (1987). Continuous Petri Nets. 8th European Workshop on Application and Theory of Petri Nets, Zaragoza, España, pp. 275 – 294.
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Murata, T. (1977). State equation, controllability and maximal matching of Petri nets. IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. AC – 22, No.3, pp. 412 – 416.
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plants. Proc. of the International Joint Conference on Neural Networks, Quebec, Canada, pp. 1740 – 1745.
Dionisio Antonio Suárez Cerda
Ingeniero Electricista por la Universidad Michoacana de San Nicolás en 1980.
Obtuvo el título de Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con la especialidad en Control Automático, en el Centro de Investigación y de Estudios
Avanzados del Instituto Politécnico Nacional en 1989 y el grado de Doctor en
Control de Sistemas en la Universidad de Tecnología de Compiègne, en Compiègne, Francia en 1996.
Ha sido catedrático en la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo,
en la Universidad Autónoma del Estado de Morelos y en la Universidad Autónoma del Carmen.
Desde 1985 es investigador en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE),
donde ha dirigido proyectos y ha colaborado en la formación de investigadores y profesionistas de alto nivel, mediante la dirección de tesis de los tres niveles académicos, así como de estancias de Adiestramiento en Investigación
Tecnológica.
Sus temas de interés son el Control Inteligente, el Control Adaptable y la Identificación de Sistemas aplicados al mejoramiento de la operación de centrales
termoeléctricas.
Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 1997.
suarez@iie.org.mx
José Alfredo Sánchez López
Ingeniero en Electrónica por el Instituto Tecnológico de Orizaba (1993).Ingresó al IIE dentro del programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica
implementando un algoritmo de control avanzado del tipo de predicción. Es
investigador en la Gerencia de Supervisión de Procesos desde 1994, desarrollando e integrando sistemas integrales de información en tiempo real para
centrales generadoras de energía eléctrica e industrias afines. En 1999 obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Computación por la Universidad de
Edimburgo, en el Reino Unido. Es asesor e instructor de cursos para desarrollo
de sistemas basados en tecnología de componentes en plataformas visuales
en el Instituto de Investigaciones Eléctricas. Está certificado como Desarrollador Asociado de LabVIEW desde Abril de 2007.
jasl@iie.org.mx