BOLETÍN IIE
SEPTIEMBRE-OCTUBRE 1998

Dos décadas de investigación 

PROYECTOS

 PRICIPALES RESULTADOS

INFORMACIÓN GENERAL

LÍNEAS DE DESARROLLO

UNIDADES DE INVESTIGACIÓN

BOLETÍN IIE

INFORME ANUAL

UNIDAD DE INFORMACIÓN TECNOLÓGICA

SERVICIOS

ANNUAL
REPORT 1997

 Páginas de interés

 

Sistemas integrales de control

Presentación

Casi las dos terceras partes de la generación eléctrica en México se obtienen a partir de hidrocarburos, de ahí que la Comisión Federal de Electricidad (CFE) haya puesto especial empeño en modernizar la operación de las centrales termoeléctricas de combustibles fósiles. En el logro de este objetivo los sistemas de control desempeñan un papel fundamental: de ellos depende en buena parte la confiabilidad y la eficiencia en el proceso de generación de energía eléctrica, así como la prolongación de la vida útil de los equipos. Desde 1984, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) ha trabajado, a solicitud de la CFE, en el desarrollo de sistemas digitales de control. A la fecha se han diseñado e implantado un sistema de control lógico de quemadores de gas y dos sistemas de control distribuido para dos centrales de ciclo combinado.

La confiabilidad de los sistemas digitales de control es muy alta; se ha encontrado que el tiempo medio entre fallas de los sistemas digitales es 10 veces superior al de otros sistemas y se estima que su disponibilidad es superior a 99%.

 

Línea SAC (Sistema de Adquisición y Control), base para el desarrollo de varios sistemas de control.

Sistema lógico para control de quemadores

El primer desarrollo del IIE en el área de control de procesos se inició en 1984. Ese año la CFE encargó al Instituto un sistema digital para controlar los 32 quemadores de la caldera de la unidad 4 de la central de generación Valle de México. El Instituto estaba preparado para hacer frente a este reto tecnológico, ya que contaba con la línea SAC (Sistema de Adquisición y Control), una línea de controladores de uso general que funciona por medio de tarjetas electrónicas, desarrollada por lo que en ese tiempo era el Departamento de Electrónica, el cual ahora forma parte de la Unidad de Control e Instrumentación.

La unidad básica o controlador de la línea SAC está constituida por una tarjeta de procesamiento, una de comunicaciones, y tarjetas de entradas y salidas que adquieren la información del proceso y envían las señales de control, todas ellas conectadas entre sí y alojadas en un gabinete o "canasta". Con base en esta unidad pueden configurarse distintos tipos de control aplicables a una gran variedad de procesos, cambiando solamente los programas o el software que se instala en la tarjeta de procesamiento. El software contiene las instrucciones de operación y funciona en respuesta a las señales que se obtienen del proceso.

Partiendo, entonces, de la línea SAC, los especialistas de la Unidad de Control e Instrumentación del Instituto desarrollaron los programas y las bases de datos necesarios para controlar los quemadores de la caldera de la unidad 4; este trabajo tomó dos años y el sistema lógico de control digital se entregó en 1986. El término "lógico" se refiere a que en este tipo de control solamente se toman las señales de estado del proceso y no sus valores en unidades de ingeniería.

El sistema sustituyó a un control de quemadores que funcionaba con base en relevadores electromecánicos y presentaba, entre otros problemas, dificultades de mantenimiento y la falta de refacciones. Las tareas del sistema digital comprenden la protección general de la caldera y de las válvulas principales de combustibles y venteo, así como las funciones de arranque y paro de quemadores. La labor del operador es iniciar el proceso y supervisarlo con la información que le entrega el sistema a través de luces indicadoras en el tablero de control. Hasta la fecha el sistema funciona satisfactoriamente.

Sumario

 

Sistema de control distribuido de la central de ciclo combinado de Dos Bocas, Veracruz.

La modernización de la central de Dos Bocas

El siguiente proyecto del IIE en materia de control de procesos de generación de energía eléctrica, que se inició en 1987, fue el desarrollo de un sistema de control distribuido para la central de ciclo combinado de Dos Bocas, Veracruz, el primero en su tipo diseñado en México. Este sistema fue instalado en 1991 y controla la operación de dos paquetes de ciclo combinado, cada uno compuesto por dos turbinas de gas, dos recuperadores de calor y una turbina de vapor. La función de los recuperadores es extraer el calor de los gases de salida de la turbina de gas y transferirlo al agua para convertirla en vapor; la energía de este último se emplea para mover la turbina de vapor, la que a su vez genera más electricidad. Al sistema se le denomina de control distribuido porque cuenta con un controlador dedicado para cada tipo de función; de esta manera, si un controlador llegara a fallar sólo afectaría a la función correspondiente. A diferencia del sistema de control para quemadores que se mencionó anteriormente, el de control distribuido, además de registrar las señales de estado del proceso, evalúa los valores de las distintas variables.

El control distribuido es un tipo de sistema que recibe las señales de cada parte del proceso, ejecuta cálculos en forma digital y produce señales de control que se comunican a los elementos actuadores, por ejemplo abrir o cerrar válvulas, operar interruptores, parar o arrancar motores, etcétera. Este sistema regula todas las variables que es preciso controlar en una planta. Constantemente supervisa que esas variables no pasen de los límites establecidos y si existe la tendencia de que esto pueda ocurrir, genera primero una alarma para indicarlo al operador; si el límite es sobrepasado, el sistema puede parar el equipo para protegerlo.

El sistema procesa la información y la comunica con un área central donde el operador puede manipular todos los sistemas de control; la interfaz hombre-máquina está constituida por teclados y monitores. La característica más importante de un sistema de este tipo es que la capacidad de control se halla distribuida en toda la planta, mientras que la función de supervisión está centralizada.

La central de Dos Bocas tenía dos computadoras de control e información que fueron instaladas desde que la central entró en operación en 1974; para 1986 la tecnología de esas computadoras ya era obsoleta, el proveedor había dejado de proporcionar mantenimiento y no existían refacciones. El IIE las sustituyó por controladores de la línea SAC, agrupados en módulos, cada uno con tarjeta de procesamiento, comunicaciones y de entradas y salidas; todos los módulos están interconectados. Se colocaron además seis módulos adicionales para dotar al sistema de una redundancia de 100%. Los circuitos de protección de las turbinas de gas, que se habían implantado con relevadores electromagnéticos, también se sustituyeron por módulos SAC.

En lo que se refiere a la información del proceso, se instalaron programas de adquisición de datos basados en minicomputadoras, dos impresoras y un generador de despliegues para cuatro monitores de alta resolución. En todo momento está disponible la información de las condiciones de operación y pueden obtenerse reportes del régimen térmico, memoria de eventos, consumo de combustible, generación, etcétera. Así, el operador puede visualizar el comportamiento de toda la planta a través de los monitores y verificar el funcionamiento de cada equipo en particular.

A fin de que el cambio en el sistema de control no resultara tan drástico para los operadores de la central, en Dos Bocas se conservó el tablero de control original, pero además la información del proceso se muestra en las pantallas de las computadoras.

Entre los beneficios de este sistema de control distribuido destaca un aumento en la eficiencia de la central, que se deriva de una mayor supervisión de los parámetros operativos, una mayor confiabilidad en el arranque y un diagnóstico de fallas más rápido gracias a la memoria de eventos. Todo ello redunda en ahorros significativos para la CFE en gastos de operación y mantenimiento, además de que da una mayor continuidad al servicio de generación de la central.

La principal ventaja de que el sistema de control se haya contratado con el IIE y no con un proveedor comercial es que el sistema fue diseñado específicamente para la central de Dos Bocas, considerando la experiencia del personal que allí labora y de acuerdo con los requerimientos de la CFE; un proveedor comercial entrega un producto estandarizado al cual debe adaptarse el usuario. El IIE, además, se ha encargado de capacitar al personal en el uso del sistema digital y da el soporte técnico necesario para su mantenimiento.

Sumario

 

Pruebas simuladas en el IIE del sistema de control distribuido de la central de ciclo combinado de Gómez Palacio, Durango.

El sistema de control distribuido de la central de Gómez Palacio

La experiencia adquirida con el sistema de control distribuido de la central de Dos Bocas permitió que el Instituto ganara el concurso internacional convocado por la CFE, en 1990, para desarrollar un sistema similar destinado a la central de Gómez Palacio, en Durango, la cual tiene un solo paquete de ciclo combinado.

El sistema entró en operación en 1996 y se basa, como el de Dos Bocas, en controladores de la línea SAC. Sin embargo, los esquemas de control son diferentes debido a que en el tiempo transcurrido entre uno y otro proyecto hubo considerables avances en la tecnología de las computadoras y de la programación. En la central de Gómez Palacio se modificó totalmente el cuarto de control; todo el equipo original se sustituyó por controladores SAC y estaciones de trabajo. Como respaldo se colocó un tablero mímico que muestra los equipos principales y constantemente despliega la información del estado de las variables más importantes; con este tablero el operador o jefe de turno puede operar la central en caso necesario.

El sistema de Gómez Palacio está integrado por 14 módulos de control (siete principales y siete de respaldo) y dos de información. Cada módulo consta de 15 tarjetas electrónicas con capacidad para recibir en total 240 señales. Todos los módulos están comunicados con el subsistema de interfaz hombre-máquina. La interfaz se compone de cinco estaciones de trabajo interconectadas por una red de alta velocidad; en esta red radican los programas de manejo y presentación de la información del proceso. Así, el control de toda la central de Gómez Palacio es digital y automático, las intervenciones del operador son mínimas y consisten principalmente en indicar al sistema cuál debe ser la generación de energía eléctrica de acuerdo con el plan de operación del Centro Nacional de Control de Energía (Cenace).

Si bien es pronto para evaluar los ahorros derivados del uso del sistema digital, las estimaciones hechas para la central de Dos Bocas permiten suponer que la reducción de costos por concepto de mantenimiento, fallas y óptimo aprovechamiento del combustible en la central de Gómez Palacio también es significativa.

 

 

Sistemas de control distribuido de la central de ciclo combinado de Gómez Palacio, Durango. El uso de este sistema permite operar la planta en forma automatizada y, con ello, mejorar su eficiencia y disponibilidad.

El IIE ganó un concurso internacional convocado por la CFE para desarrollar el sistema de control distribuido de la central de Gómez Palacio, Durango.

Sumario

 

Sistemas digitales de control distribuido desarrollados por el IIE
 
Central Duración del proyecto Beneficios
Dos Bocas, Veracruz.    
Dos paquetes de ciclo combinado 1987-1991 Prevención de fallas y paros forzados.
Gomez Palacio, Durango.    
Un paquete de ciclo combinado. 1990-1996 Mayor durabilidad de los equipos de generación.
    Ahorro de combustible.
    Mayor eficiencia en los procesos de generación.
    Mayor disponibilidad de la central.

Perspectivas

Con los desarrollos para Dos Bocas y Gómez Palacio, el IIE se inscribe en la tendencia mundial de implantar sistemas de control distribuido para la modernización de centrales termoeléctricas. Además, este tipo de sistemas tienen aplicación en una variedad de industrias, como la petroquímica, la farmacéutica, la papelera y la alimenticia.

Entre los proyectos que preparan actualmente los especialistas de la Unidad de Control e Instrumentación del IIE destaca el de la programación de controladores comerciales para dos tipos de turbinas de gas, que se realiza en colaboración con una empresa privada que fabrica controladores.

Por otra parte, se está elaborando un proyecto para la especificación de la modernización de los sistemas de control y definición de estrategias de control avanzado para procesos en refinerías de Petróleos Mexicanos (Pemex), como el de la hidrodesulfuración de combustóleo y de integración catalítica.

Redacción de Estrella Burgos, colaboradora del Departamento de Difusión. Asesoría técnica, ingeniero Rafael Chávez Trujillo, gerente de la Unidad de Control e Instrumentación, e ingeniero Octavio Gómez Camargo, coordinador de especialidad de integración de sistemas de control digital de la Unidad de Control e Instrumentación.


 Sumario

Boletín IIE

Página principal