Prototipo de Simulación para el Comportamiento de una Central

Prototipo de Simulación para el Comportamiento de
una Central Térmica de Generación en Ciclo
Combinado
C.Fadul
Termobarranquilla S.A.
Calle 17 Km 2 Via Soledad
Barranquilla, Atl
Colombia
cfadul@usa.net
Abstract
Basado en el trabajo de investigación
de “Working Group on Prime Mover and
Energy Supply Models for System Dynamic
Performance Studies” de IEEE y Florencio
Aybotes García de México, se implementaron
en software de simulación modelos que
representan el comportamiento de los
elementos que constituyen una central térmica
de ciclo combinado.
El objetivo principal de esta
investigación es implementar estos modelos en
paquetes de software al alcance de estudiantes,
con interfaces que permitan también a los
profesionales su familiarización, capacitación
y entrenamiento en los fenómenos que
caracterizan el comportamiento de estos
modelos.
Palabras Clave
Modelos Dinámicos, Control de
Turbina,
Caldera,
Turbina,
Generador
Sincrónico, Generacion, Ciclo Combinado.
1. Introducción
En la industria y enseñanza de la
ingeniería actual es necesario aprovechar
las nuevas tecnologías que se encuentran a
disposición de ingenieros y profesores,
para que la metodología de la capacitación
del personal y estudiantes tenga un
enfoque adecuado para formar equipos
altamente
capacitados.
Para
una
generación de profesionales y estudiantes
que han crecido con los avances
tecnológicos de nuestro medio, es
necesario
plantear
alternativas
de
entrenamiento y capacitación que motiven,
inciten a aprender más, reduzcan costos,
etc.
Dos de estos avances tecnológicos
que facilitan la comprensión de los
procesos dinámicos que ocurren en la vida
diaria son Matlab y Simulink , que a través
de modelos de simulación permiten
representar el comportamiento de
cualquier sistema real.
En la simulación de los elementos
de una central térmica de ciclo combinado
se pueden identificar cinco (5)
submodelos, correspondientes a la turbina
de gas, generador turbina de gas, la
caldera (HRSG), turbina de vapor y
generador turbina de vapor, además de los
modelos de los respectivos controles para
cada elemento simulado, como son:
control de velocidad/carga turbina de
vapor, control turbina/caldera, control
velocidad/carga turbina de gas, y el
control de frecuencia y voltaje para los
generadores.
Gracias al apoyo prestado por la
central
térmica
de
generación
TERMOBARRANQUILLA S.A., se usa
como modelo de simulación el arreglo de
elementos para la generación en ciclo
combinado a 220 KV de su planta ubicada
en Barranquilla, tomando como referencia
la información de las unidades que se
encuentran
en
funcionamiento
actualmente, con una capacidad instalada
de 750 MW.
Se construyeron modelos generales
a partir de la información presentada por
IEEE, en su gran mayoría de los artículos
de las revistas IEEE Transactions on
Power Systems, IEEE Transactions in
Power Apparatus & Systems; estos
modelos serán complementados en los
casos que sean necesarios con la
información de los sistemas de control
instalados en planta.
Este trabajo busca convertirse en
una herramienta de uso cotidiano en
TEBSA para desarrollar ejercicios de
entrenamiento en la operación del sistema,
permitiendo a los operadores manipular
las variables más importantes del proceso
en simulación, es decir, sin afectar de
ninguna manera la operación real de la
planta. Los estudiantes de ingeniería tanto
eléctrica como mecánica lograrían un
mayor entendimiento del comportamiento
de los procesos eléctricos y térmicos que
ocurren en una central de este tipo. La
simulación se plantea como una
alternativa en la formación profesional de
los empleados y estudiantes, que busca
que los participantes experimenten el
hecho como si éste en realidad estuviera
sucediendo.
2. Caldera
Se llama caldera a todo sistema a
presión en el que el agua se transforma en
vapor como producto final, por cesión de
calor desde una fuente con temperatura
superior. Por el concepto de caldera no
solo se entiende el recipiente donde ocurre
la transformación del agua del estado
líquido al gaseoso, sino también al
conjunto de anexos como son, el hogar
donde se quema el combustible, los
conductos de gases de combustión, los
calentadores de aire, los economizadores
de
agua
de
alimentación,
los
recalentadores de vapor, etc. [11]
La física de los procesos de la
caldera
se
puede
representar
esquemáticamente según la figura 1, que
muestra un volumen equivalente del vapor
almacenado en un tambor de presión en
serie con sobrecalentadores y líneas de
vapor con sus efectos de caída de presión
por fricción. [3]
Figura 1: Proceso de caldera
La energía de entrada a la caldera,
que es principalmente el calor liberado en
el hogar, genera vapor en las paredes de
caldera ( m
& W ).
En la figura 2 se presenta un
modelo no lineal de bajo orden que define
los efectos de presión y flujo principal de
vapor como función del área de la válvula
de control de la turbina y la entrada de
energía a la caldera. [3]
Figura 2: Modelo no lineal de bajo orden para
la caldera.
Como se ve en la figura, la presión
de trabajo PT, en el volumen almacenado
definido como la constante CSH , es
proporcional a la integral del flujo de
entrada ( m
& ) menos el flujo de salida
(m
& S ) del volumen. El flujo hacia el
volumen almacenado CSH y de salida del
volumen almacenado en el tambor CD ,
(m
& ) se obtiene proporcionalmente a la
raíz cuadrada de la diferencia de presión
entre los dos volúmenes. La presión del
tambor PD se calcula proporcionalmente a
la integral de la diferencia entre la
generación de vapor (m
& W ) y el flujo de
vapor de salida del volumen ( m
& ).[3]
La generación de vapor (m
& W ) sigue
la liberación de calor en el hogar con un
tiempo de retardo debido a la capacitancia
térmica del metal de las paredes de
caldera. Finalmente, la respuesta de la
liberación de calor en el hogar, por un
cambio en la energía de entrada a la
caldera, es más que todo una función de
las dinámicas del sistema de combustible.
Para calderas de gas o aceite, estas
dinámicas son relativamente rápidas,
dependiendo del tiempo de respuesta de
las válvulas de combustible y de las
persianas de aire. Para las unidades de
carbón, esto puede ser mas lento
reflejando los retardos en el proceso de
alimentación y pulverización del carbón.
[3]
La naturaleza no lineal del proceso
de la caldera es debida principalmente, a
que la relación entre la caída de presión y
el flujo es una raíz cuadrada, y al hecho de
que el flujo de vapor es proporcional al
producto del área de flujo de la válvula de
control CV y la presión de trabajo PT. [3]
temperatura, así la entalpía de salida de la
turbina es menor, transmitiéndole de esta
manera energía a los álabes. [11]
El vapor producido en la caldera se
envía a la turbina de vapor a través de las
líneas de vapor. El vapor que fluye a la
turbina genera energía rotacional al chocar
contra los álabes en el rotor, haciéndolo
girar. Este es un proceso de conversión
mecánica. [12]
La cantidad de vapor que se permite
pasar a través de la turbina se regula
mediante la apertura de unas válvulas de
control. El vapor de escape se usa, ya sea
en un proceso subsecuente, o se vuelve a
condensar en agua para reutilizarse en el
ciclo agua – vapor. En una aplicación
típica de una planta de generación, la
bomba de alimentación de caldera se usa
para bombear el agua condensada a la
caldera. [12]
La turbina de vapor usada en el caso
particular de este estudio es del tipo
tandem-compound sin recalentamiento,
pero incluye una alimentación por baja
presión desde la caldera. Es decir, la
turbina tiene dos entradas de vapor
independientes, HP y LP, sin embargo, el
vapor de salida de HP también es enviado
a la turbina de LP combinado con el vapor
procedente de la caldera. En la figura 3, se
aprecia el esquema de esta turbina.
LP
HP
3. Turbina de Vapor
La turbina de vapor es una máquina
térmica en la cual ocurre la transformación
de la energía térmica del vapor en energía
mecánica de rotación del eje de la propia
turbina. El vapor entra a la turbina a
presión y temperaturas elevadas (alta
entalpía) y sufre una gran expansión en
donde disminuye la presión y la
T HP
T LP
GEN
Figura 3: Esquema turbina de vapor con
entrada de vapor por HP y LP.
En la figura 4 se presenta un
modelo general de representación de
turbinas de vapor, en el cual están
cubiertos todos los tipos de turbina que
existen, de condensado recto, de
contrapresión y de extracción. [3]
Figura 4: Modelo General de representación
para turbinas de vapor
Los coeficientes k1 hasta k8
determinan las contribuciones de varias
secciones de la turbina para obtener
potencia
mecánica
en
el
eje
correspondiente. En el caso de las
unidades cross-compound, la potencia
mecánica de cada eje debe ser modelada
explícitamente. Las constantes de tiempo
representan los tiempos de carga de los
diferentes volúmenes, el mas significativo
de los cuales es el volumen del
recalentador. En la mayoría de los casos,
la respuesta de la turbina puede ser
modelada adecuadamente con tres
constantes de tiempo, turbina de HP (T4 ),
el recalentador (T5 ), y el cruce de vapor de
HP a LP (T6 ). La constante adicional T7 se
necesita en el caso de unidades con doble
recalentador. [3]
4. Control de Velocidad / Carga
para Turbinas de Vapor
La turbina debe girar a una
velocidad constante impuesta por la
frecuencia de la red a la que se encuentra
conectado el generador al que está
acoplada. Cuando ocurren perturbaciones
ella no mantiene esta velocidad y se hace
necesario que tenga un corrector de
velocidad. Este corrector de velocidad es
también indispensable en el momento del
arranque y durante su acople a un sistema.
En él, el factor de perturbación es la
variación de carga del generador, el factor
a regular es la velocidad de la turbina y el
factor regulador es el flujo de vapor que
entra en la turbina. La regulación de
velocidad de la turbina es generalmente
una regulación de acción proporcional,
pues las variaciones del flujo de vapor son
proporcionales a las variaciones de
velocidad. [3]
El principio de regulación de
velocidad ha ido variando con los años
puesto que la tecnología ha avanzado con
pasos vertiginosos. Los primeros tipos de
reguladores de velocidad (que todavía se
usan) fueron los sistemas mecánicos y
mecánico-hidráulico. Aparecen más tarde
los sistemas electro - hidráulicos, que son
los seleccionados para esta simulación. [3]
4.1 Control Electro-Hidráulico
Un mecanismo controlador de
velocidad
electro–hidráulico
provee
flexibilidad por medio del uso de circuitos
electrónicos en lugar de componentes
mecánicos. Los diagramas de bloque
muestran una configuración típica en la
figura 5. El flujo de vapor retroalimentado
y el lazo de realimentación del servo
motor producen una linealidad impropia
de los sistemas mecánico - hidráulicos. En
el bloque se muestra aproximadamente la
relación matemática para la función del
gobernador de velocidad con alimentación
operativa de flujo de vapor, que es el
utilizado en esta simulación, pues además
de las ventajas ya mencionadas, también
se observa en él una mayor sensibilidad.
[3]
En la figura se observa el diagrama
de bloques del sistema EHC. La posición
de comando de la válvula controladora CV
es desarrollada por la carga de referencia
L.R. menos la desviación de la velocidad
por la ganancia 1/R. El regulador de
presión inicial puede introducir una acción
en la dirección de cerrado si la presión cae
por debajo del setpoint inicial del
regulador de presión (0.9). [3]
Figura 5: Modelo de simulación de un control
electro – hidráulico
La válvula interceptadora responde
de la misma manera si hay sobrevelocidad,
tal como ocurre en el mecánico hidráulico.
5. Control Turbina / Caldera
El sistema de motor primario y el
método de control para los cambios en la
generación, son representados por el tipo
directo de operación en el cual la turbina
guía la caldera. En este modo, los cambios
de generación son iniciados por un control
de las válvulas de la turbina y los
controles de la caldera responden con una
acción apropiada con un sensitivo cambio
en el flujo de vapor y presión. La turbina
tiene acceso a la energía acumulada en la
caldera y a cambios en la generación
dentro de magnitudes razonables con una
rápida característica. Esta rapidez de
reacción es beneficiosa desde el punto de
vista del gobernador, ya que mejora la
calidad del control de frecuencia. Es claro
que estas respuestas rápidas son a
expensas de las desviaciones en las
variables de la caldera. Otro método de
control es en el que la caldera guía la
turbina, en este método las válvulas de
control de la turbina sirven para regular la
presión de la caldera y los cambios son
iniciados variando las entradas a la
caldera. Gracias a la rapidez de la acción
de las válvulas de control de turbina, estas
pueden realizar casi perfectamente el
control de la presión, de modo que se
pueda mantener la presión constante en la
caldera. Bajo estas condiciones no se
utiliza la acumulación de energía en la
caldera. [3]
La filosofía general de coordinación
de los controles integrados de la turbina y
la caldera es utilizada en este modelo de
simulación. En él, una señal indicativa de
la demanda establecida desde el AGC o
manualmente, es combinada con otras
variables de entrada para conformar la
unidad de generación necesaria para
conducir las válvulas en un lazo cerrado y
lograr una oposición para tener la
generación deseada, entregando así las
señales de entrada a la caldera. Las
modificaciones en la señal de demanda de
carga dependen de las tendencias de
frecuencia, para oponerse a las unidades
con regulación de velocidad en estado
permanente, y el error de presión, que
funciona para controlar las válvulas para
la regulación de la presión. [3]
La potencia demandada (MW), que
se obtiene manualmente o desde el AGC,
se relaciona con el error de la frecuencia a
través de la tendencia Kf produciendo una
reacción en la señal de entrada de la
caldera, que es la entrada de agua, gas o
fuel y aire. Por otra parte, la potencia
demandada influye en la respuesta del
error de potencia (MW), que es la señal
que entra en la sección de control de la
carga de referencia (LR), en la cual se han
fijado los límites de variación por medio
de un integrador limitado, y su variación
paulatina a través de los bloques
limitadores de tasa de cambio. La
sensibilidad de este modelo a las
tendencias de la frecuencia y las
variaciones de la potencia actual puede ser
mejorada con las respectivas adaptaciones
de los valores de las tendencias de
frecuencia Kf y la ganancia Km, que
influyen en los valores de la potencia
actual. [3]
Las tendencias del error de presión
en este modelo son integradas al bloque de
simulación por medio de una función de
banda muerta. Así, el coeficiente de
predisposición Kp puede ser adaptivo
(proporcional a la carga de referencia), o
sea que la señal de los MW deseados se
interpretaría como una demanda de la
carga de referencia, con el coeficiente Km
igual a cero y KL la unidad. [3]
Figura 6: Modelo para el control Turbina /
Caldera
6. Control Velocidad / Carga y
Control Aire / Combustible para
turbinas de gas
Al igual que en la turbina de vapor,
la turbina de gas debe girar a una
velocidad constante impuesta por la
frecuencia de la red a la que se encuentra
conectado el generador al que está
acoplada. Ante perturbaciones ella no
mantiene esta velocidad y se hace
necesario que tenga un corrector de
velocidad.
En la figura 7 se muestra el
esquema de este corrector de velocidad,
denominado: gobernador de velocidad.
Las entradas al gobernador son la
demanda de carga V L y la desviación de la
velocidad ∆N. La salida del gobernador es
la señal de demanda de combustible, FD .
[6]
La figura 6 muestra el modelo
genérico del control de una turbina, que es
el usado en este trabajo. Los valores de las
constantes de tiempo, coeficientes de
predisposición, tendencias de frecuencia,
etc, fueron tomados de los modelos de
IEEE. [3]
Figura 7: Esquema del modelo para el
gobernador de velocidad para una turbina de
gas.
En este modelo se toma el valor de
la ganancia igual a uno para mantener las
relaciones de las variables en el sistema
por unidad. Se observa de los valores de
los parámetros de la función de
transferencia que la constante de tiempo
para este gobernador es bastante pequeña,
permitiendo responder ante cambios
rápidos de las entradas. La saturación
limita la demanda de combustible.
Ante los cambios ocasionados por
el gobernador de velocidad, la turbina
experimenta cambios en sus parámetros de
comportamiento,
tales
como
la
temperatura antes y despues de la turbina,
la potencia mecánica, flujo de aire, etc. El
control de aire y combustible se encarga
de mantener las condiciones de la turbina
en valores que garanticen la mejor
eficiencia del ciclo termodinámico, esto se
logra
sobretodo
controlando
las
temperaturas de turbina.
Figura 8: Esquema del modelo para el control
del flujo de aire y combustible en la turbina de
gas.
Caídas de presión en el combustor,
cambios en el calor específico y
tratamiento de tallado de los flujos de
enfriamiento se han eliminado para ilustrar
el comportamiento general de la unidad.
Estos efectos de comportamiento se han
incorporado en valores equivalentes de
eficiencias para el compresor y la turbina.
[6]
La escena de control para el
combustible y la rata de flujo de aire se
muestra en la figura 8. La turbina de gas
posee alabes de guía de entrada de aire
que se ajustan para variar el flujo dentro
de un rango limitado. Esto permite
mantener temperaturas de salida altas, y
por consiguiente, mantener la eficiencia
del ciclo de vapor a valores de carga
reducidos. Sobre este rango de carga, el
combustible y los alabes guía se controlan
para mantener constante la temperatura de
entrada a la turbina. [6]
Esto se logra ajustando el flujo de
aire con la carga demandada FD y
determinando la temperatura de referencia
de salida de la turbina de gas, TR. Esta
temperatura de referencia se puede
determinar a partir de las relaciones
termodinámicas básicas para una turbina
de gas. [6]
Las operaciones que se realizan
dentro del bloque denominado Abox
representan el calculo del flujo de aire
deseado WD y la temperatura de exhosto
de referencia TR, sobre el rango de diseño
de la variación del flujo de aire a través
del control de los alabes guía . [6]
7. Turbina de Gas
La turbina de gas es una máquina
térmica en la cual ocurre la transformación
de la energía térmica de los gases producto
de la combustión en energía mecánica de
rotación del eje de la propia turbina. Esta
máquina
funciona
en
el
ciclo
termodinámico de Brayton, y el fluido de
trabajo es el aire ambiente y gas natural
para la combustion.
En la figura 9 se muestran las
relaciones usadas para determinar la
potencia mecánica de la turbina de gas
P MG y la temperatura de salida de turbina
TE . La salida neta de la turbina (potencia
de la turbina menos la potencia del
compresor) es función de la temperatura
de entrada de turbina calculada, y el flujo
de aire que esta determinado por la
velocidad del compresor y la apertura de
los alabes guía de entrada. [6]
Se debe notar que el efecto de esta
constante de tiempo en la salida de la
caldera es despreciable comparado con los
retardos por almacenamiento en el
generador de vapor (caldera). [6]
8. Generador
Los generadores sincrónicos o
alternadores son máquinas que se usan
para convertir potencia mecánica en
potencia eléctrica de corriente alterna.
Figura 9: Esquema de representación de la
turbina de gas
La temperatura de entrada a turbina
se determina a partir del balance de calor
del combustor. La potencia mecánica se
representa como una función de la
temperatura de entrada a turbina y la
velocidad de flujo de los productos de la
combustión.
Como
en
muchas
aplicaciones las variaciones de velocidad
pueden ser significativas, los efectos de
velocidad se tienen en cuenta en el
modelo. [6]
La ubicación de las constantes de
tiempo y de los retardos en el diagrama de
bloques de la figura 9 no sigue
necesariamente sus relaciones con la física
del proceso. Por ejemplo, la constante de
tiempo del volumen del compresor TCD
está ubicada aguas abajo del bloque de
potencia de la turbina PG /W. Esto no altera
el efecto de esta constante de tiempo en la
variable de interés que es P MG . [6]
La figura 10 muestra una
representación esquemática de la máquina
sincrónica, en ella se indican las
convenciones que se adoptan en cuanto a
la posición de los ejes del rotor y a la
dirección de las corrientes. Se ha
considerado al eje directo (d) 90º adelante
del eje en cuadratura (q) y la máquina se
modela como generador. Se tienen tres
devanados sobre el estator, uno por cada
fase y cuatro sobre el rotor: circuito de
campo (f), devanados amortiguadores
sobre los ejes directo y en cuadratura (kd y
kq), y el devanado que representa las
corrientes EDDY en el rotor (g). [2]
El comportamiento de las variables
eléctricas del generador queda definido
por las ecuaciones de voltaje y
encadenamientos de flujo que relacionan a
los devanados. Las ecuaciones de voltaje
de los devanados de estator, con referencia
a las fases (a, b, c), se expresan en función
de Inductancias que varía con la posición
del rotor. Cambiando la referencia de las
ecuaciones del estator, fases (a, b, c), a los
ejes (d, q, o) del rotor, se logra expresar
estas ecuaciones en función de
inductancias invariantes en el tiempo. [2]
En la figura 10 los devanados más
externos sobre los ejes d, q del rotor
representan los devanados de estator
referidos al rotor. La transformación de
coordenadas se realiza por medio de la
transformación modal de Park, con la que
se pasa del marco de referencia (a, b, c),
estático y variante con el tiempo, al marco
de referencia (d, q, o) giratorio e
invariante con el tiempo. [2]
sustitución. Para las variables localizadas
sobre el eje directo, se inicia con la
ecuación de la corriente de campo. [2]
El voltaje terminal Vt y el voltaje
interno Efd se relacionan a través del
sistema de excitación. En la figura 11 se
presenta el diagrama de bloques que
conforman las ecuaciones del modelo
linealizado de la máquina. [2]
Figura 10: Representación esquemática de la
máquina sincrónica
La implementación de la solución
por computadora de las ecuaciones básicas
requiere de ciertas adecuaciones y
manipulaciones algebraicas. Para esto, se
deben tomar en cuentas las siguientes
consideraciones: [2]
a) Se representan solo voltajes y
corrientes de frecuencia fundamental,
tanto en el estator como en el sistema
de potencia. Se desprecian, por lo
tanto, las componentes armónicas de
voltaje y corriente, así como la
componente de corriente directa en las
corrientes del estator. Esto permite
que todos los voltajes y corrientes del
generador y del sistema puedan ser
representados por medio de fasores.
b) Se utilizan componentes simétricas
para representar condiciones de
operación balanceadas. Esto resulta en
la reducción de la forma fasorial de la
máquina a su circuito de secuencia
positiva.
Para la derivación de los modelos,
se busca determinar las expresiones de los
voltajes de estator Vd y Vq en función de
los encadenamientos de flujo, así que
partiendo del sistema de ecuaciones
básicas se realiza un proceso de
Figura 11: Modelo linealizado del generador
sincrónico
Las constantes de la máquina se
calculan a partir de los parámetros de la
red a la que el generador está conectado.
Se expresan en por unidad y se realizan
los cálculos necesarios. Para determinar
rangos de variación de los parámetros K1
a K6, se deben realizar una serie de
cálculos que involucren una gran cantidad
de condiciones de operación. En la tabla 1
se muestran los valores máximos y
mínimos que pueden alcanzar los
coeficientes para una variación de la
Potencia Activa generada desde 0.2 hasta
1.0 p.u. y una variación de Potencia
Reactiva desde 0 a 0.8 p.u. [2]
Tabla 1
Rango de variación de las constantes K1 a K6
Constante
Mínimo
[pu]
Máximo
[pu]
K1
0.6
1.8
K2
0.2
2.0
K4
0.5
2.5
K5
-0.2
0.1
K6
0.2
0.6
9. Sistema de Excitación
Un sistema de excitación o un
sistema de control de excitación es una
combinación de aparatos diseñados para
suministrar y controlar la corriente de
campo del generador por medio de
reguladores automáticos. [2]
En la operación del sistema
eléctrico en estado estable el sistema de
excitación controla el voltaje del
generador, el cual deberá permanecer
dentro de un rango de variación muy
pequeño para las diferentes condiciones de
operación, también es el medio para
distribuir la potencia reactiva entre los
generadores operando en paralelo. Los
sistemas de excitación deberán además
influir durante los procesos transitorios,
por lo que es importante considerar las
características de los sistemas eléctricos y
los
requerimientos
específicos
en
diferentes problemas. [2]
El proceso básico de control de
voltaje
y
los
conceptos
físicos
involucrados pueden ser descritos con la
ayuda de la figura 12, donde un operador
ejecuta las funciones de control siguiendo
las lecturas de un voltímetro V. El proceso
de control consiste en que el operador
controla manualmente el reóstato R con la
finalidad de mantener el voltaje Vo . El
valor ∆V puede ser leído en forma
discontinua (con zonas muertas) o
continuamente (proporcionalmente). En el
primer caso el operador no puede
responder a cambios de voltaje dentro de
las discontinuidades. A este tipo de control
se le conoce como control con zona
muerta. Si la regulación se inicia con una
diferencia mínima de voltaje en la variable
controlada y si la intensidad varía en
proporción al cambio, se lo conoce como
control proporcional. [2]
Figura 12: Control Manual de Voltaje
En el proceso de control el operador
(regulador) tiene que vencer la rigidez del
resorte (K) aplicando una fuerza
proporcional al error (E=K x ∆V). Si el
operador se reemplaza con un control
automático, se deberá incluir un elemento
de medición para detectar el error de
voltaje ∆V, y un regulador para producir
la fuerza proporcional. Al factor K se le
denomina ganancia, mientras que al
proceso de medición y la alimentación de
señal de salida en la entrada, se le conoce
como proceso de realimentación. La
realimentación se caracteriza por una
ganancia de realimentación Kr. Es claro
que para incrementos pequeños de voltaje
(∆V), el voltaje puede ser incrementado a
un nivel específico si se dispone de una
ganancia grande. Esto sin embargo
incrementa las dificultades del control, ya
que es difícil controlar fuerzas grandes
con precisión y sin grandes oscilaciones.
[2]
10. Simulación de los modelos
Para verificar que los modelos
implementados tiene una relación causa
efecto similar a la realidad se montaron en
las plataformas Simulink de Matlab y
LabVIEW de National Instruments, se
probaron uno a uno y se realizaron los
arreglos correspondientes para cada ciclo:
Ciclo de Gas, Ciclo de Vapor y Ciclo
Combinado.
El
estudiante,
operador
o
profesional podrá usar estos modelos para
aprender, entrenarse o fortalecer sus
habilidades o destrezas en la operación de
estos sistemas.
A continuación se presentan los
resultados obtenidos en cada uno de estos
modelos.
del generador aumenta proporcionalmente
y mantiene en equilibrio el sistema.
Este comportamiento es similar al
observado en la operación normal de las
turbinas de gas.
10.2 Ciclo de Vapor
En la figura 13 se puede ver la
interfaz desarrollada para representar los
elementos que constituyen el ciclo de gas.
Para la representación del ciclo de
vapor se desarrollo en LabVIEW la
interfaz mostrada en la figura 14, para que
el usuario pueda cambiar los parámetros y
observar la respuesta del sistema en
simulación.
Figura 13: Interfaz y respuesta para el modelo
del ciclo de gas
Figura 14: Interfaz y respuesta para el modelo
del ciclo de gas.
En esta figura se observan dos
variaciones, en la primera se realizó un
cambio en el setpoint de la máquina
ocasionando una variación de la mayoría
de los parámetros, excepto la velocidad
que se debe mantener constante. El
cambio en el setpoint afecta la potencia
mecánica en el eje del generador, por lo
tanto, se debe variar el voltaje en
terminales para mantener constante su
nivel. La segunda variación realizada
representa un cambio en la velocidad de la
máquina, esto se debe a entradas o salidas
de cargas eléctricas en el sistema de
potencia. En este caso se muestra una
salida repentina de carga que ocasiona una
sobrevelocidad del 1%, el modelo
responde disminuyendo la potencia
mecánica en el eje de la turbina y del
generador, por lo tanto el voltaje en bornes
En esta figura se observan dos
cambios, se varía la velocidad de la
máquina y se disminuye el setpoint de
carga.
10.1 Ciclo de Gas
Para el primer cambio se tiene una
rápida respuesta de las válvulas de control
de vapor hacia la turbina, afectado el flujo
de vapor, ocasionando un aumento de la
presión en la caldera. Al desaparecer la
perturbación, las válvulas de control
normalizan su posición y el flujo de vapor
se estabiliza en la condición de operación.
En un cambio del setpoint de carga
del sistema, la energía de caldera
disminuye rápidamente, ocasionando una
lenta disminución en el vapor de salida de
caldera, lo cual disminuye lentamente la
potencia mecánica en el eje de la turbina,
esta variación obliga al generador a
aumentar proporcionalmente el voltaje en
terminales para mantener el equilibrio el
sistema.
Este comportamiento es similar al
observado durante la operación diaria del
ciclo de vapor.
10.3 Ciclo Combinado
En términos generales, una planta
de ciclo combinado esta integrada por dos
o mas ciclos termodinámicos de energía
para convertir la energía de entrada en
trabajo o potencia mas eficientemente.
Con los avances en la confiabilidad y
disponibilidad de las turbinas de gas, el
término planta en ciclo combinado se
refiere a un sistema compuesto por una
turbina de gas, un generador de vapor
recuperador de calor (HRSG) y una
turbina de vapor. Termodinámicamente,
esto implica igualar un ciclo Brayton a alta
temperatura de la turbina de gas con un
ciclo Rankine moderado y a baja
temperatura, el calor de desperdicio de la
salida del ciclo Brayton sirve como
entrada de calor al ciclo Rankine. El
desafío en estos sistemas es obtener un
grado de integración que maximice la
eficiencia a un costo económico. [1]
Para la representación del ciclo
combinado de TEBSA se unieron los dos
modelos presentados en las secciones 10.1
y 10.2 para desarrollar la interfaz de la
figura 15, donde se observan los cambios
en cada elemento debidos a la
modificación de alguno de los parámetros
por parte del usuario.
Para facilitar la utilización de estos
modelos de simulación se diseño un Menú
Principal desde donde el usuario puede
tener acceso a todos los submodelos que
conforman esta investigación. Manipular
cada uno de ellos y analizar su
comportamiento individual y en conjunto.
Figura 15: Interfaz y respuesta para el modelo
del ciclo combinado
En la gráfica se aprecia que las
variaciones en los parámetros afecta a los
modelos de la misma forma en que se
afectan en las secciones 10.1 y 10.2, sin
embargo, las variaciones en el ciclo de gas
afectan el ciclo de vapor debido a que la
energía de salida del primero se usa como
energía de entrada en el segundo.
Una disminución del setpoint en el
ciclo de gas, ocasionará un cambio en la
energía de salida y el ciclo de vapor
reaccionara de la misma forma,
disminuyendo la potencia mecánica en el
eje de la turbina. La reacción causa-efecto
de este modelo es muy similar a la
realidad.
En este modelo el usuario puede
experimentar como se afectan las
condiciones de operación ante cambios de
los parámetros de la máquina, ya sea en el
ciclo de gas o en el ciclo de vapor.
11. Conclusiones
En esta investigación se creó un
modelo de simulación con la ayuda de
Matlab y Simulink, de cada uno de los
elementos constitutivos de una central
térmica de generación en ciclo combinado.
Se aprovechó la capacidad de LabVIEW
en el diseño de una interfaz con el usuario
para el análisis de los procesos dinámicos
en una central térmica, para ser utilizado
tanto en la docencia como en la vida
profesional, y para complementar procesos
de formación y entrenamiento en la
operación de estos elementos.
El aporte de este trabajo de
simulación reside en la adaptación de los
modelos propuestos por IEEE a los
programas Matlab - Simulink y
LabVIEW, para introducirlo en las
cátedras de centrales generadoras y en los
programas de formación del personal
técnico y profesional en la central de
generación Termobarranquilla S.A. E.S.P.
Aun
cuando
los
modelos
implementados fueron simplificados y
linealizados
para
facilitar
su
representación, el resultado de las
simulaciones
muestra
que
el
comportamiento de los modelos se
asemeja al comportamiento indicado por
la teoría y observado durante el
funcionamiento normal de las unidades,
demostrando su validez.
Las interfaces desarrolladas le
permiten al usuario entender el
comportamiento y aprender la operación
del sistema a través de la simulación,
garantizando la efectividad del proceso de
entrenamiento y la seguridad del usuario y
las máquinas.
Con este proyecto se comprobó el
poder de las herramientas utilizadas para
la representación y simulación de los
modelos, planteando alternativas para la
continuación de la investigación como son
la
representación
de
condiciones
transitorias de los elementos simulados
(arranques, paradas, situaciones de
emergencia) o la implementación de
modelos que representen líneas de
transmisión y cargas de un sistema
completo de potencia.
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