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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACIN
VICERECTORADO INVESTIGACION Y POSTGRADO DECANATO DE INVESTIGACION Y POSTGRADO
PROGRAMA: INGENIERIA DE CONTROL Y AUTOMATIZACION DE PROCESOS
SISTEMA DE CONTROL PARA LA REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DE AGUA DE EXTRACCIÓN EN UN CONDENSADOR DE UNA PLANTA
TERMOELECTRICA Trabajo presentado como requisito para optar al grado académico de Magister Scientiarum
en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos
Autor (a): Ing. Angel Hernandez
CI: V-18.283.828
Tutor (a) M.S.c. Kenneth E. Rosillón O
CI: V-19.216.499
Maracaibo, Julio 2.016
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SISTEMA DE CONTROL PARA LA REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DE AGUA DE EXTRACCIÓN EN UN CONDENSADOR DE UNA PLANTA
TERMOELECTRICA
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VEREDICTO
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DEDICATORIA
A dios por haberme permitido llegar hasta esta meta y haberme dado
salud para lograr mis objetivos trazados, además de su infinita bondad y
amor
A mi esposa, por ser el pilar fundamental en todo lo que soy, en toda mi
vida, por su amor e incondicional apoyo perfectamente estable a través del
tiempo. Te amo.
A mis padres, por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos,
valores, y esa motivación constante que me han permitido ser una persona
de bien, pero especialmente por todo su amor.
A mis hermanos, por estar conmigo y apoyarme cada momento.
ANGEL HERNANDEZ
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AGRADECIMIENTOS
Quiero en primera instancia agradecer a los profesores de la Maestría ya
que me aportaron nuevos conocimientos
A mi tutor, M.Sc. Kenneth E. Rosillón por su gran apoyo y motivación para
la culminación de este trabajo especial de grado
A mis compañeros de clase Ing Alexander Beltrán y Heli Lorbes por
haberme enseñado el valor del respeto y compañerismo dentro del programa
de clases en la maestría.
ANGEL HERNANDEZ
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ÍNDICE GENERAL
VEREDICTO…………………………………………………………….. iii DEDICATORIA…………………………………………………………. iv AGRADECIMIENTOS…………………………………………………. v INDICE GENERAL……………………………………………………… vi INDICE DE CUADROS…………………………………………………. Ix INDICE DE FIGURAS………………………………………………….. X INDICE DE TABLAS……………………………………………………. xiii RESUMEN……………………………………………………………….. xiv ABSTRACT……………………………………………………………… xv INTRODUCCION………………………………………………………… 1
CAPITULO
I. El PROBLEMA 3 1. Planteamiento del problema…………………………………… 3 1.1. Formulación de la investigación………………………………. 8 1.2. Objetivos de la investigación………………………………….. 9 1.2.1. Objetivo general……………………………………................... 9 1.2.2. Objetivos específicos………………………………………….. 9 1.3. Justificación de la investigación……………………………… 9 1.4. Delimitación de la investigación……………………………… 10
II. MARCO TEORICO 11 2.1. Antecedentes de la investigación…………..…………………… 11 2.2. Bases Teóricas……………………………………………………. 18 2.2.1. Sistema de control para la regulación de la temperatura de
agua de extracción del condensador TZ3……………………
18 2.2.1.1. Sistemas de control de lazo abierto…………………… 19 2.2.1.2. Sistemas de control a lazo cerrado……………………. 19 2.2.2. Funcionamiento del condensador en la planta Termozulia.. 20 2.2.2.1. Sistemas Térmicos…………………………………………… 21 2.2.2.1.1. Termopares……………………………………………………. 23 2.2.2.1.2. Termoresistencias (RTD)……………………………………. 26 2.2.2.2. Canal de circulación Hídrico……………………………….. 27 2.2.2.2.1. Válvulas de control…………………………………………… 29 2.2.2.2.2. Transmisores de presión diferencial…………………………... 32 2.2.3. Modelado Matemático de la temperatura de agua de
extracción en el condensador de la planta Termozulia I……
33 2.2.3.1. Métodos matemáticos paramétricos……………………… 34 2.2.3.1.1. Modelos del error en la salida, OE:…………………………. 54 2.2.3.1.2. Modelos auto regresivos con variables exógenas, ARX:… 54
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2.2.3.1.3. Modelos auto regresivos de media móvil y variables exógenas, ARMAX:……………………………………………
55
2.2.3.1.4. Modelos Box-Jenkins, BJ:…………………………………… 56 2.2.3.2. Identificación de sistemas………………………………….. 57 2.2.3.2.1. Polos y Ceros…………………………………………….. 58 2.2.3.2.2. Observabilidad…………………….…………………………. 58 2.2.3.2.3. Controlabilidad……………………………………………….. 59 2.2.4. Selección de un controlador Avanzado………………………. 63 2.2.4.1. Control en Cascada…………………………………………... 65 2.2.4.1.1. Lazo esclavo…………………………………………………... 65 2.2.4.1.2. Lazo maestro………………………………………………….. 66 2.2.4.1.3. Entonamiento PID…………………………………………….. 67 1.2.4.2. Control PI-Optimo……………………………………………. 71
1.2.4.2.1. Optimización dinámica…………………………………… 72 2.3. Sistema de Variables……………………………………………... 77
2.3.1. Definición nominal……………………………………………….. 78
2.3.2. Definición conceptual……………………………………………. 78 2.3.3. Definición operacional………………………………………….. 78
III. MARCO METODOLÓGICO 81 3.1. Tipo de la investigación………………………………………… 81 3.2. Diseño de la investigación……………………………………….. 82 3.3. Unidad de análisis………………………………………………. 83 3.4. Técnicas e Instrumentos para la recolección de datos…….. 84 3.5. Metodología Utilizada………………………………………….. 85
IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION……………………... 88 4.1. Fase I. Descripción del sistema de condensación………….. 88 4.2. Fase II. Desarrollo del modelo matemático…………………… 96 4.3. Fase III. Diseño del Controlador……………………………….. 117 4.4. Fase IV. Validación del sistema de control propuesto…….. 141
CONCLUSIONES………………………………………………………… 154 RECOMENDACIONES………………………………………………….. 155 ANEXOS…………………………….…………...………………………. 156 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS………………..………………… 161
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ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1. Operacionalización de la variable………………………….. 80 Cuadro 2. Parámetros de diseño del condensador………………… 89 Cuadro 3 Instrumentos sensores………………………………………. 94 Cuadro 4 Evaluación del control en lazo abierto actual aplicado en el condensador TZ-03……………………………………………………
95
Cuadro 5 Variables actuantes en el sistema…………………………. 98 Cuadro 6 Modelos Matemáticos de la variable temperatura……….. 107 Cuadro 7 Modelos Matemáticos de la variable Flujo……………….. 109 Cuadro 8. Parámetros del control PI…………………………………… 124 Cuadro 9. Requerimientos de diseño del controlador PID………… 127 Cuadro 10. Parámetros del controlador diseñado por método: Ziegler y Nichols…………………………………………………………..
128
Cuadro 11. Parámetros del controlador diseñado por método: Cohen Coon………………………………………………………………..
128
Cuadro 12. Parámetros del controlador diseñado por método: López y Smith (SP Tracking)…………………………………………………….
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Cuadro 13. Evaluación de controladores PID Teóricos del sistema de control maestro………………………………………………………...
131
Cuadro 14. Parámetros del controlador PID Maestro………………. 132 Cuadro 15. Evaluación de controladores PID Teóricos del sistema de control maestro………………………………………………………..
133
Cuadro 16. Características de la respuesta de salida del controlador PI-optimo con rechazo a perturbaciones……………………………….
141
Cuadro 17. Evaluación de controladores PID simulado del sistema de control maestro………………………………………………………...
148
Cuadro 18. Evaluación del controlador PI-optimo simulado con data real del proceso……………………………………………………………
150
Cuadro 19. Comparación entre los controladores diseñados frente al actual…………………………………………………………………….
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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Termopar……………………………………………………….. 23 Figura 2. Válvula de control…………………………………………….. 30 Figura 3. Actuador de una válvula de control………………………… 31 Figura 4 Cuerpo de una válvula de control…………………………… 31 Figura 5 Transmisor de nivel por presión diferencial………………. 33 Figura 6. Sistema con perturbación…………………………………….. 41 Figura 7. Sistema con perturbación en modelo………………………. 42 Figura 8. Diagramas de bloques de las estructuras a) Estructura ARX, b) Estructura OE……………………………………………………
56
Figura 9. Diagramas de bloques de las estructuras a) Estructura ARMAX, b) Estructura BJ………………………………………………...
57
Figura 10. Estructura de control en cascada………………………… 65 Figura 11. Curva de reacción del primer método de ziegler y nichols………………………………………………………………………
70
Figura 12. Derivación de ley de control óptimo…………………….. 77 Figura 13. Plano del sistema de condensación en la planta Termozulia TZ03 (Ciclo I)………………………………………………...
90
Figura14. Condensador TZ03. Líneas de entrada y extracción del lago de Maracaibo…………………………………………………………
91
Figura 15. Identificación de las entradas y salidas del condensador 92 Figura 16. Sistema de control en lazo abierto actual…………………. 95 Figura 17. Relación entrada-salida de la Variable temperatura de extracción en el condensador TZ03……………………………………
97
Figura 18. Relación entrada-salida de la Variable flujo de extracción en el condensador TZ03…………………………………………………
97
Figura 19. Proceso en lazo abierto actual…………………………….. 99 Figura 20. Persistencia de excitación para la variable temperatura.. 100 Figura 21. Persistencia de excitación para la variable flujo………… 101 Figura 22. Periodograma de datos de salida de la variable flujo….. 102 Figura 23. Filtrado de datos de salida de la variable flujo………….. 103 Figura 24. Datos de modelado y validación de variable temperatura 104 Figura 25. Datos de modelado y validación de variable Flujo……. 104 Figura 26.. Ajuste por el método de primer orden…………………… 111 Figura 27. Lugar Geométrico de las raíces para la variable temperatura………………………………………………………………...
111
Figura 28. Respuesta Escalón para la variable temperatura……….. 112 Figura 29. Correlación de datos en la entrada y salida del proceso de identificación de sistemas de temperatura…………………………
113
Figura 30. Ajuste por el método de tercer orden…………………….. 114
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Figura 31. Lugar Geométrico de las raíces para la variable flujo….. 115 Figura 32. Respuesta Escalón para la variable flujo…………………. 115 Figura 33. Correlación de datos en la entrada y salida del proceso de identificación de sistemas de flujo………………………………….
116
Figura 34. Imagen esquemática del condensador evaporativo de la planta Termozulia I, Planta TZ03………………………………………..
117
Figura 35. Esquema de control en cascada propuesto para la regulación de temperatura en el condensador TZ03………………..
119
Figura 36. Control en cascada propuesto……………………………. 119 Figura 37. Respuesta Escalón para la función de transferencia de lazo cerrado deseada……………………………………………………..
120
Figura 38. Respuesta Escalón para la función de transferencia de lazo cerrado esclavo sin proceso del maestro……………………….
125
Figura 39. Respuesta Escalón para la función de transferencia de lazo cerrado esclavo con proceso del maestro……………………….
126
Figura 40. Aplicación del primer método de Ziegler y Nichols para la planta de flujo (Válvula 1, Lazo esclavo)……………………………….
127
Figura 41. Esquema de control cerrado en el bucle interno del control cascada propuesto………………………………………………
130
Figura 42. Evaluación de controladores PI-Teóricos……………….. 130 Figura 43. Evaluación de controladores PID-por auto ajuste de parámetros…………………………………………………………………
132
Figura 44. Evaluación de perturbaciones al controlador PID-del lazo maestro-esclavo…………………………………………………………..
133
Figura 45. Esquema de control optimo propuesto para la regulación de temperatura en el condensador TZ03………………………………
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Figura 46. Control optimo propuesto………………………………….. 135 Figura 47. Diseño del controlador PI-optimo lineal LQR con rechazo a perturbaciones…………………………………………………………..
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Figura 48. Respuesta del controlador PI-optimo LQR con rechazo a perturbaciones……………………………………………………………..
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Figura 49. HMI del sistema de control en cascada del condensador Tz-03 Planta Termozulia I………………………………………………..
143
Figura 50. Diagrama de bloques del sistema de control en cascada 144 Figura 51. Arranque en manual del sistema de control en cascada del condensador Tz-03 Planta Termozulia I (SP=50ºC)……………..
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Figura 52. Sistema de control en cascada del condensador Tz-03 Planta Termozulia I (SP=50ºC)…………………………………………..
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Figura 53. Sistema de control en cascada del condensador Tz-03 Planta Termozulia I (SP=50ºC) con perturbaciones………………….
147
Figura 54. Sistema de control PI-optimo del condensador Tz-03 Planta Termozulia I (SP=Varios) con perturbaciones………………..
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Figura 55. Evaluación de controladores: Cascada y PI-optimo del condensador Tz-03 Planta Termozulia I (SP=Varios) con perturbaciones……………………………………………………………..
149 Figura 56. Evaluación de controladores: Cascada y PI-optimo frente al control actual del condensador Tz-03 Planta Termozulia I (SP=Varios)………………………………………………………………...
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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Tipos de termopares…………………………………………… 25 Tabla 2. Fragmento de una tabla de tensiones frente a temperatura para un termopar tipo J. Las tensiones vienen dadas en mV………
26
Tabla 3. Clarificación del término linealidad………………………….. 36 Tabla 4. Curva de reacción del primer método de Ziegler y nichols 70 Tabla 5 Propiedades de las corrientes a las condiciones de operación actuales con 100% de Carga……………………………….
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Tabla 6 Propiedades de las corrientes a las condiciones de diseño con 100% de Carga……………………………………………………….
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Tabla 7. Criterio de estabilidad de Routh…………………………….. 125
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HERNÁNDEZ, ÁNGEL Y ROSILLÓN, KENNETH Sistema de control para la regulación de la temperatura de agua de extracción en un condensador de una planta termoeléctrica. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Programa de Maestría en Ingeniería de Control y Automatización de procesos. Maracaibo, Estado Zulia, 2016.
RESUMEN La presente investigación tuvo como objetivo principal proponer un Sistema de control para la regulación de la temperatura de agua de extracción en un condensador de una planta termoeléctrica. La delimitación del estudio se abordó en el complejo termoeléctrico General Rafael Urdaneta (Termozulia), específicamente la planta Termozulia I. La misma estuvo sustentada teóricamente por Ljung (1998), Ogata (2000), Aboukeir (2006) y Seborg (2010). La metodología utilizada en la investigación fue descriptiva de diseño de campo, no experimental. La investigación estuvo conformada por cuatro (4) fases. Inicialmente la descripción del sistema de condensación que lleva a cabo la turbina de vapor a través del intercambiador de calor, seguidamente Modelado matemático Experimental, luego el Diseño de diversos controladores avanzados y finalmente Validación mediante simulaciones el comportamiento del control seleccionado frente al regulador en modo manual actual. Como resultados se obtuvieron en cuanto a la identificación de sistemas y determinación del modelo matemático que el sistema se ajustó en su dinámica Lineal a un sistema de primer orden para la variable temperatura mientras que el flujo de vapor alcanzo un segundo orden. Por otra parte se prepararon configuraciones como el PID en Cascada y un control moderno como lo es el PI-optimo. Finalmente estos resultados fueron cotejados entre si dando como resultado la eficiencia de un controlador PI-óptimo con tiempos de estabilización de 100 minutos y regulación en lazo cerrado frente a los 500 minutos actuales, por lo que se alcanzó el objetivo primordial de la investigación. Palabras claves: PI-optimo, Cascada, Identificación de sistemas, Controles avanzados.
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HERNÁNDEZ, ÁNGEL Y ROSILLÓN, KENNETH. Control system for regulating the temperature of water extraction condenser a power plant. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Master's program in Control Engineering and Automation. Estado Zulia, 2016.
ABSTRACT
This research had as main objective to propose a control system for regulating the temperature of extraction water in a condenser of a power plant. The delimitation of the study was addressed in the General Rafael Urdaneta Thermoelectric Complex (Termozulia), specifically the plant Termozulia I. It was theoretically supported by Ljung (1998), Ogata (2000), Aboukeir (2006) and Seborg (2010). The methodology used in the research was descriptive field design, not experimental. The research consisted of four (4) phases. Initially the system description condensation takes place the steam turbine through the heat exchanger, then Mathematical modeling Experimental, then the design of various advanced controllers and finally Validation through simulations the behavior of the selected control to the regulator in manual mode current. As results were obtained in terms of system identification and determination of the mathematical model that the system was adjusted in its linear dynamic system of first order for the variable temperature while the steam flow reached a second order. Moreover configurations such as PID Cascade Control and modern as is the PI-optimal prepared. Finally, these results were checked against each other resulting in the efficiency of a PI-optimal controller with stabilization time of 100 minutes and closed loop regulation compared to 500 current minutes, so that the primary objective of the research was reached. Keywords: PI-optimal, Cascade, ID systems, advanced controls..
INTRODUCCION
Los sistemas de generación son en efecto parte de un sistema mayor
dedicado al suministro de energía, para atender necesidades de la sociedad
que los auspicia. En el contexto que ahora nos interesa, los Sistemas de
Generación son un componente mayor de los sistemas de suministro
eléctrico, los que complementan o compiten según sea el caso con otros
sistemas o formas de suministro energético, como son los gasoductos y
oleoductos, con las plantas de compresión, tratamiento, bombeo o refinación
asociadas a los mismos, o los sistemas de transporte y manejo del carbón y
probablemente en un futuro eventual, los sistemas de suministro de
hidrógeno.
Los Sistemas de Generación utilizan como insumo variadas formas de
energía primaria, que luego de convertirlas en energía eléctrica
generalmente con una conversión intermedia en energía mecánica la
entregan a los sistemas de transmisión y distribución, para hacerla llegar
hasta los usuarios finales, que luego a su vez la convierten en las diversas
formas de energía que se ajustan a sus respectivos requerimientos.
La tecnología de conversión más frecuentemente utilizada desde finales
del siglo XIX hasta el presente, como se acaba de mencionar, es la convertir
primero la energía primaria en energía mecánica, para luego convertirla en
energía eléctrica. Solamente cuando se utilizan celdas fotovoltaicas, celdas
de combustible y las baterías de diverso diseño, se prescinde de la
conversión electromecánica mediante máquinas rotativas. Desde luego que a
escala de laboratorio hay otras formas de conversión, que no se aplican para
atender necesidades rutinarias.
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Se debe insistir en la idea que el suministro eléctrico es una forma
complementaria que compite con otros sistemas de suministro energético, los
cuales entregan la energía en otras formas distintas a la electricidad. El gas
natural y los combustibles líquidos pueden utilizarse directamente para
calentar, para alumbrar y también convertirse en energía mecánica cuando
impulsan algún tipo de motor térmico. Esa energía mecánica puede también
emplearse para impulsar uno o varios generadores para producir electricidad
a nivel local. Este último caso es el que en años recientes se ha optado por
denominar “generación distribuida”.
Bajo estas premisas, el futuro de los sistemas de control ha llegado a la
industria de la generación eléctrica partiendo de modos automáticos
secuénciales hasta modos analógicos de control en el tiempo. El control PID
es un ejemplo clásico de una arquitectura de control comprobada desde los
años 70 por diversas industrias a nivel mundial. En Venezuela, el complejo
termoeléctrico General Rafael Urdaneta posee estructuras clásicas de control
PI, PID y PD en sus procesos, por lo que da cabida adicional a arquitecturas
modernas y avanzadas para la regulación de sus procesos más
trascendentes.
Es por ello que esta investigación plantea un control avanzado para
regular la temperatura de extracción de un condensador evaporativo. La
misma está sustentada por cuatro capítulos bien estructurados: El primer
capítulo donde se plantea la problemática, un segundo objetivo con
antecedentes y la fundamentación teórica necesaria para el establecimiento
de resultados. Un capitulo tres, donde se localiza la metodología,
procedimientos y fases a establecer en el diseño de un sistema de control
avanzado y el capítulo IV que contiene los resultados de la presente
investigación.