miércoles, 16 de mayo de 2007

AUTOMATIZACION DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR DE EXCITACION

INGENIERIA CONCEPTUAL


DEFINICION DEL PROBLEMA


Las Plantas generadoras de electricidad, la mayoría de las centrales eléctricas usan vapor para generar electricidad, requiriendo un sistema de enfriamiento para condensar el vapor y retornarlo a la caldera. Los productos IMSA ofrecen equipos para esa necesidad, pero también existen soluciones a otras necesidades dentro de la central eléctrica. Las torres de enfriamiento así como las torres de circuito cerrado, se utilizan en muchos sistemas auxiliares en la central eléctrica, tales como enfriamiento de transformadores, enfriamiento de baleros, enfriamiento de aceites de lubricantes, etc.

La mecanización de las actividades industriales para llevar a cabo la mano de obra y simplificar el trabajo, se pone en practica debido a la demanda generada por el crecimiento de la población con el paso del tiempo dando prioridad, a las máquinas de manera automática con el fin de modernizar disminuir errores garantizar calidad eficiencia en las producciones y hacer el proceso mas rentable con un sistema eléctrico y electrónico que permita controlar y vigilar cada uno de los procesos de la industria sin importar el espacio físico de la misma llevando un registro de todos los procesos.
Figura Nº 1 Equipos de instrumentacion
El propósito de este estudio es realizar una propuesta que permita mejorar el sistema de control por relé que existe en el sistema de enfriamiento, por un controlador lógico programable (PLC) que reduzca el espacio de ocupación realizar mantenimiento y correcciones en menor tiempo y garantizar así el buen funcionamiento de manera eficaz secuencial en tiempo real.

Entre las razones que generaron este diseño esta en un espacio reducido para la labor de mantenimiento que se hace un poco forzado la hora de realizar esta labor. El sistema de enfriamiento de la unidad 3 presenta alteración al momento de registrarse una falla en la operable del ventilador 2 en avance debería entrar en servicio el numero 1 y esto no ocurre como falla solo se genera en dicha unidad entra en duda el respaldo de las demás unidades también la lógica empleada mantiene la bobina de los relés energizados permanentemente mientras el sistema esta operando por lo que se reduce la vida útil de los mismos así mismo al encontrarse fuera de servicio uno de los ventiladores, el panel de control presenta alarma de falla por falta de presión y flujo de agua.

Lo que genera que la cantidad de componentes en el diseño de control al momento de realizarse los mantenimientos preventivo o correctivo, el tiempo que se tiene que invertir para verificar los componentes, sus correspondientes conexiones, además de todas las señalizaciones y los interruptores es bastante amplio, reduciendo la posibilidad de dar solución de manera rápida y eficaz a la orden de mantenimiento o la falla que se presente.

Este es un sistema de control, sencillo que se presenta eficazmente con componentes actualmente en el mercado, entonces la difícil adquisición de reemplazos por relé puede generar una parada indefinida del sistema de enfriamiento, lo que sacaría de servicio a una unidad generadora para evitar una falla, en el transformador de excitación y lo que aumentaría la generación en las otras máquinas para equilibrar y mantener la demanda de la planta pero genera desgaste innecesario en el resto de las unidades.


PROCESO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

El sistema consta de dos secciones de ventilación para el enfriamiento del aire del transformador, que pueden ser accionadas a localmente o a distancia. Cada sección comprender un motor, un intercambiado de calor, sensores de presión de aire, flujo de agua temperatura y fuga de agua, además un indicador de flujo señalizaciones de arrancado y fallas, una válvula para el control del paso de agua, sus respectivas interruptores y protecciones, mientras que la lógica de control empleada permita mantener el ventilador en avance y el otro en espera, lo que brinda un respaldo adecuado para mantener el transformador con la temperatura de servicio.
El circuito de potencia es un sistema trifásico alimentado con 480 voltios y a una frecuencia de operación de 60 Hz bajo las normas DIN para colocar uno de los motores en funciones se debe seccionar el interruptor principal, los arrancadores y el seccionador de cada motor lo que deja el circuito en espera de señal local remota en el circuito de control que permita energizar la bobina del contactor del motor o ventilador primario o el contactor dos arrancando el motor y por ende colocando en marcha el ventilador , los arrancadores están de térmicos. En el circuito de control consta esencialmente de tres partes: fallas, recepción y traducción de flujo de agua y arranque de motores, para lo que requiere una alimentación entre 125Vcc y energizado a través del interruptor de CBC de 125Vcc y 6A, se encuentra bajo las normas NEMA. El circuito de control de flujo de agua consta de una fuente que recibe a través del interruptor CBG 125 Vcc y la lleva a 24Vcc con los que trabaja tanto los flujometros WF1 y WF2 con indicadores ID1 e ID2, dichos indicadores se comportan también como accionadores ya que se configuran para abrir sus contactos respectivos cuando el flujo este por debajo de 90 L/m y 67 L/m respectivamente.
Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía potencial del agua como fuente primaria para generar electricidad. Estas plantas se localizan en sitios en donde existe una diferencia de altura entre la central eléctrica y el suministro de agua. De esta forma, la energía potencial del agua se convierte en energía cinética que es utilizada para impulsar el rodete de la turbina y hacerla girar para producir energía mecánica. Acoplado a la flecha de la turbina se encuentra el generador que finalmente convierte la energía mecánica en eléctrica.
Una característica importante es la imposibilidad de su estandarización, debido a la heterogeneidad de los lugares en donde se dispone de aprovechamiento hidráulico, dando lugar a una gran variedad de diseños, métodos constructivos, tamaños y costos de inversión.
Las centrales hidroeléctricas se pueden clasificar de acuerdo con dos diferentes criterios fundamentales:
1. Por su tipo de embalse.
2. Por la altura de la caída del agua.
Figura Nº 3 Sistema de enfriamiento del transformador
OTRAS POSIBLES SOLUCIONES

Los generadores están siempre protegidos contra el goteo de agua y construidos por patas según disposiciones constructivas para accionamiento de motor diesel resulta indispensable el arrollamiento amortiguador con el que los generadores se adaptan mejor al servicio en paralelo y a las cargas simétricas los arrollamientos rotóricos y estatoricos deben estar bien aislados e impregnados, para soportar una fuerte humedad usando procedimientos tales como:Excitatriz de corriente continua La excitatriz es autoexcitada en conexión shunt la resistencia insertada en el circuito shunt puede modificarse por medio de un regulador de sectores rodantes y sirve para la regulación de tensión.


Figura Nº 4 Alternador trifásico Oerlikon para grupos electrógenos, con excitatriz de corriente continua


El principal inconveniente de este sistema es la inercia de la re3gulacion que en caso de golpes de carga se traduce en fuertes caídas de tensión además estos resultan relativamente grandes y pesados contando con el elevado precio de la excitatriz cuando se trata de grupos de pequeña potencia asi como la conservación del colector y de las escobillas.
Si el sistema es de auto excitación es estático no tiene partes móviles y prácticamente no precisa ningún movimiento los tiempos de regulación son breves porque no hay que tener en cuenta las constantes de tiempo de la excitatriz y del regulador mecánico en caso de puntas de carga la caída de tensión son mucho mas débiles la maquina resulta mas corta menos costosa no puede producirse corriente de cortocircuito permanente puesto que la excitación cesa cuando la tensión del alternador cae por debajo de un cierto valor el equipo de excitación con los tiristores no presentas los inconvenientes de otros sistemas, tales como la dificultad de excitación después de una parada prolongada porque el tiristor ya actúa con una débil tensión remanente por esto resulta superfluo los artificios con fuente auxiliar de corriente continua.



Figura Nº 5 Alternador trifásico Oerlikon para grupos electrógenos, con auto excitación y regulador de tiristores.

Para potencias mayores hay que prever el sistema de excitación de corriente alterna la maquina amplificadora entre el regulador y los rectificadores rotativos es una excitatriz de corriente alterna. Esta procede del rotor de la excitatriz es rectificada y después utilizada para la excitación del generador principal la excitación de la maquina amp0lificadora o excitatriz, es suministrada, en este caso por medio de un regulador de tensión del tiristor conectado a los bornes estatoricos del generador principal. Además de las ventajas indicadas en el sistema de excitación directa por tiristores cabe mencionar aquí la ausencia total de escobillas y de anillos colectores





Figura Nº 6 Alternador trifásico Oerlikon para grupos electrógenos, con excitatriz de corriente alterna y rectificadora rotativos.


Generación Termoeléctrica

En el proceso termoeléctrico existe una clasificación de tipos de generación, según la tecnología utilizada para hacer girar los generadores eléctricos, denominándoseles como sigue:

VaporCon vapor de agua se produce el movimiento de una turbina acoplada al generador eléctrico.
TurbogásCon los gases de combustión se produce el movimiento de una turbina acoplada al generador eléctrico.
Combustión InternaCon un motor de combustión interna se produce el movimiento del generador eléctrico.
Ciclo CombinadoCombinación de las tecnologías de turbogás y vapor. Constan de una o más turbogás y una de vapor, cada turbina acoplada a su respectivo generador eléctrico.
Otra clasificación de las centrales termoeléctricas corresponde al combustible primario para la producción de vapor, según:
Vapor (combustóleo, gas natural y diesel)
Carbo eléctrica (carbón)
Dual (combustóleo y carbón)
Geotermoeléctrica ( vapor extraído del subsuelo)
Núcleo eléctrica (uranio enriquecido) Para el cierre de marzo de 2007, la capacidad efectiva instalada y la generación de cada una de estos tipos de generación termoeléctrica, es la siguiente:



Tipo Capacidad en MW Generación GWh
Vapor 12,670.50 11,902
Dual 2,100.00 3,596
Carboeléctrica 2,600.00 4,585
Ciclo Combinado (CFE) 5,203.34 6,987
Ciclo Combinado 10,321.90 15.278
(*Prodctores independientes
de energía)
Geotermoeléctrica 959.50 1,767
Turbogás 2,103.33 60
Combustión interna 180.69 213
Nucleoeléctrica 1,364.88 2,365
Total 37,504.14 46,754
* Centrales de ciclo combinado: Mérida III, Hermosillo, Saltillo, Tuxpan II, Río Bravo II, Bajío (El Sáuz), Monterrey III, Altamira ll, Tuxpan III y IV, Campeche, Mexicali, Chihuahua III, Naco Nogales, Altamira lll y lV, Río Bravo III, La Laguna II, Rio Bravo IV, Valladolid III, Tuxpan V, Altamira V y La Laguna II.

Descripción del proceso de las centrales termoeléctricas tipo vapor.

Una central termoeléctrica de tipo vapor es una instalación industrial en la que la energía química del combustible se transforma en energía calorífica para producir vapor, este se conduce a la turbina donde su energía cinética se convierte en energía mecánica, la que se transmite al generador, para producir energía eléctrica.
Secuencia de transformaciones de energía
Centrales termoeléctrica tipo vapor
Estas centrales utilizan el poder calorífico de combustibles derivados del petróleo (combustóleo, diesel y gas natural), para calentar agua y producir vapor con temperaturas del orden de los 520°C y presiones entre 120 y 170 kg/cm., para impulsar las turbinas que giran a 3600 r.p.m.

Con Laser solido pulsado del tipo Yag:Nd+++

Un láser sólido pulsado del tipo YAG:Nd+++ excitado ópticamente por una lámpara flash (medio gaseoso = Xenón), con picos intensos de emisión en longitudes de onda cercanas a las bandas de absorción de los iones de Nd+++. La longitud de onda de generación corresponde al infrarrojo λ=1.064 μm, armónica principal, con la posibilidad de doblar la frecuencia de emisión con el uso de un cristal de LiNbO3, λ=0.532 μm, segunda armónica del láser correspondiente al diapasón visible.

El sistema de enfriamiento consta de una bomba de agua de mediana potencia, que sirve para hacer circular al agua destilada en el quantron y un sistema de sensores de temperatura que dispara automáticamente los ventiladores del sistema de disipación cuando el líquido excede la temperatura de T = 25 °C.

Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC)
El enfriamiento por evaporación con torres de enfriamiento, es utilizado en aplicaciones HVAC alrededor del mundo.
Las torres de enfriamiento y de circuito cerrado, son utilizadas para condensar el agua en chillers.
Los condensadores evaporativos se utilizan en grandes sistemas de aire acondicionado donde pueden ofrecer mayores ventajas de funcionamiento en comparación con los sistemas de paquete enfriados por agua o aire.

Refrigeración
Los condensadores evaporativos ensamblados en fábrica se utilizan en sistemas de refrigeración de amoníaco u otros refrigerantes para las cervecerías, plantas de transformación de los alimentos, almacenes con cámara frigorífica para su conservación, y otras instalaciones que requieran de una capacidad de condensación evaporativa.

Industria Manufacturera
Este segmento de mercado cubre una amplia variedad de usos donde el enfriamiento se necesita en plantas industriales, así como directamente en la fabricación de un producto, o indirectamente en la ayuda de las operaciones de fabricación.
Torres de enfriamiento abiertas y de circuito cerrado que proporcionan enfriamiento a los sistemas de fabricación y de control del medio ambiente, enfriamiento de chaquetas para los compresores de aire, para máquinas del moldeado de metal o plástico, hornos de fundición eléctricos, enfriamiento de herramientas en máquinas, etc.

Procesos Químicos y derivados del Petróleo
Virtualmente todas las operaciones o procesos químicos derivados del petróleo requieren la remoción de grandes cantidades de calor, generalmente por medio del enfriamiento con agua. Los equipos fabricados por Industrial Mexicana, ofrecen alternativas económicas y ambientalmente sanas en los ejemplos siguientes:
Los Enfriadores de procesos industriales fabricados por Industrial Mexicana, proporcionan a la planta, enfriamiento de agua de alta calidad como una alternativa al agua de río local.
Las torres de enfriamiento ensambladas en planta, torres de enfriamiento de circuito cerrado y los condensadores evaporativos proporcionan económicas soluciones de enfriamiento para necesidades o aplicaciones especiales como ubicaciones remotas, niveles de ruido críticos, etc.
Plantas Acereras
Las plantas productoras de acero, aluminio y otros metales primarios, así como las plantas productoras de perfiles y otros sub-productos, todas necesitan el enfriamiento de agua para sus operaciones. Los productos de IMSA resuelven sus necesidades con:
Torres de enfriamiento de circuito cerrado, requerido para el enfriamiento de moldes en sistemas modernos de colada continúa.

COMPARACION CON OTROS SISTEMAS

Sistemas Enfriamiento /Proceso
Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC)

El enfriamiento por evaporación con torres de enfriamiento, es utilizado en aplicaciones HVAC alrededor del mundo.
Las torres de enfriamiento y de circuito cerrado, son utilizadas para condensar el agua en chillers.
Los condensadores evaporativos se utilizan en grandes sistemas de aire acondicionado donde pueden ofrecer mayores ventajas de funcionamiento en comparación con los sistemas de paquete enfriados por agua o aire.

Refrigeración

Los condensadores evaporativos ensamblados en fábrica se utilizan en sistemas de refrigeración de amoníaco u otros refrigerantes para las cervecerías, plantas de transformación de los alimentos, almacenes con cámara frigorífica para su conservación, y otras instalaciones que requieran de una capacidad de condensación evaporativa
Industria Manufacturera

Este segmento de mercado cubre una amplia variedad de usos donde el enfriamiento se necesita en plantas industriales, así como directamente en la fabricación de un producto, o indirectamente en la ayuda de las operaciones de fabricación.
Torres de enfriamiento abiertas y de circuito cerrado que proporcionan enfriamiento a los sistemas de fabricación y de control del medio ambiente, enfriamiento de chaquetas para los compresores de aire, para máquinas del moldeado de metal o plástico, hornos de fundición eléctricos, enfriamiento de herramientas en máquinas, etc.

Procesos Químicos y derivados del Petróleo

Virtualmente todas las operaciones o procesos químicos derivados del petróleo requieren la remoción de grandes cantidades de calor, generalmente por medio del enfriamiento con agua. Los equipos fabricados por Industrial Mexicana, ofrecen alternativas económicas y ambientalmente sanas en los ejemplos siguientes:
Los Enfriadores de procesos industriales fabricados por Industrial Mexicana, proporcionan a la planta, enfriamiento de agua de alta calidad como una alternativa al agua de río local.
Las torres de enfriamiento ensambladas en planta, torres de enfriamiento de circuito cerrado y los condensadores evaporativos proporcionan económicas soluciones de enfriamiento para necesidades o aplicaciones especiales como ubicaciones remotas, niveles de ruido críticos, etc.

Plantas Acereras

Las plantas productoras de acero, aluminio y otros metales primarios, así como las plantas productoras de perfiles y otros sub-productos, todas necesitan el enfriamiento de agua para sus operaciones. Los productos de IMSA resuelven sus necesidades con:
Torres de enfriamiento de circuito cerrado, requerido para el enfriamiento de moldes en sistemas modernos de colada continúa.