Control multivariable de un generador de vapor

Ures Ciriaco, Marta (2018). Control multivariable de un generador de vapor. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Control multivariable de un generador de vapor
Autor/es:
  • Ures Ciriaco, Marta
Director/es:
  • Jiménez Avello, Agustín
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2018
Materias:
Palabras Clave Informales: Generador de vapor, Control, modelos de estado, modelo de estado incremental, Matlab, Simulación
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

En el presente TFG (trabajo de fin de grado) se realiza un análisis sobre posibles métodos de control aplicados a un sistema real como es un generador de vapor. La importancia de este sistema radica en la creciente importancia de la generación de electricidad en la industria dada la demanda actual. El vapor es uno de los recursos generados más utilizado en la industria debido a la cantidad de aplicaciones que tiene. Al contrario que otros fluidos utilizados, no tiene riesgo de incendio y no necesita bombas para transportase. Además, tiene un gran poder calorífico y coeficiente de transferencia térmica, estas propiedades hacen de él un buen elemento para la transferencia de calor. Pero la aplicación más importante es la producción de energía eléctrica a través de turbinas. La producción de vapor es relativamente sencilla, ya que se basa en el principio de evaporación, basta con calentar agua. En general, este proceso se lleva a cabo en los generadores de vapor, instalaciones que permiten transformar en energía térmica, la energía contenida en la materia. La materia prima utilizada para generar el calor suelen ser combustibles fósiles que liberan energía mediante su combustión. Sin embargo, estos recursos son no renovables, es decir, se consumen a mayor velocidad de la que se regeneran. Por ello es importante que se utilicen de forma eficiente. En los primeros capítulos de este trabajo se presenta con más detalle el funcionamiento interno de un generador de vapor y el proceso de generación de la energía, así como una descripción detallada del sistema físico real. Para realizar un uso eficiente de la energía, los generadores de vapor, al igual que cualquier otra instalación, tienen un cierto grado de automatización y control. Estos controles se basan principalmente en la medición de presiones, flujos y temperaturas mediante instrumentos destinado para dicha tarea. Además, una instalación correctamente controlada automáticamente aumenta la seguridad y fiabilidad de la misma. A la hora de realizar un diseño de control generalizado para este sistema, como se pretende alcanzar en este proyecto, se realiza una simulación del comportamiento del sistema. De esta manera, se puede observar la evolución de una serie de variables en función de diferentes condiciones de trabajo. Esta simulación se lleva a cabo en el entorno de Matlab Simulink, programa que permite, a través de una programación gráfica y textual, realizar este tipo de experimentos. Para simular el comportamiento del generador de vapor, como se tratará en el capítulo 3, se estudia la modelización de su funcionamiento mediante balances de energía, de masa, entre otras ecuaciones complementarias. El proceso de evaporación en sí, se fundamenta en el diagrama de Mollier, de donde se obtienen las propiedades termodinámicas, al ser el fluido de trabajo agua. Se calcula, además, para el sistema simulado, unas condiciones iniciales, consideradas el punto de equilibrio, para las cuales el sistema trabaja cómodamente y admite tanto variaciones positivas como negativas. En ellas se establece el estado inicial en el que se encuentra el generador al inicio de la simulación. Teniendo en cuenta todas las variables que forman parte del sistema, se seleccionan como variables de control el nivel de agua en el generador, el caudal de salida de vapor y la presión en el interior. Se tratará mediante la acción del regulador de conseguir que estas alcancen unos valores establecidos de referencia en cada instante. Para ello se actuará sobre el caudal de alimentación, el calor aportado y la apertura o cierre de una válvula a la salida del generador, que se considerarán las entradas al sistema. La importancia de mantener un cierto nivel de agua radica en aprovechar al máximo la transferencia de calor a través de los tubos en el generador y de evitar que el vapor de salida arrastre gotas de humedad. Este caudal de salida será el demandado en cada momento por la turbina. Además de estas variables, el regulador debe ser capaz de hacer frente a acciones de perturbación. La perturbación considerada en este trabajo de simulación es la temperatura de alimentación de agua, ya que depende de sistemas y condiciones externas al generador sobre las cuales no puede actuar el sistema de control. Debido al alto nivel de interacción entre las variables, se proponen dos posibles métodos de control multivariables, estos son el modelo de estado y modelo de estado incremental. Ambos se basan la elección de variables de estado, estas contienen la mínima información necesaria para que, conociendo la entrada en un instante, poder calcular la salida en cualquier instante posterior. Se estudia inicialmente la aplicación del primer procedimiento de diseño, obteniendo como resultado un regulador proporcional. En los resultados obtenidos tras su implementación en el entorno de simulación, se observa que la salida tiende a alcanzar el valor de la referencia, sin embargo, tendrá un pequeño error de posición o error en régimen permanente. Esto era algo de esperar dado el tipo de regulador que se trata, al no tener acción integral. También se realizan pruebas ante la acción de perturbación, concluyendo que este regulador no ofrece un buen resultado dado que no es capaz de alcanzar el estado deseado. A modo de mejora se desarrolla un segundo controlador basado en el modelo de estado incremental, este método no tiene en cuenta el valor de la entrada en un instante sino, el incremento de esta con respecto al valor que tenía en el instante anterior. El resultado de este control es un regulador PI (Proportional-Integral), el cual contiene ya acción integral. Se comprueba en las pruebas de simulación realizadas que desaparece el error en régimen permanente alcanzando así el valor de referencia en todas las variables de salida. Igualmente que para el regulador anterior, se comprueba su comportamiento ante el efecto de la perturbación. En este caso se alcanzan de nuevo las salidas deseadas independientemente de la acción introducida, resultando este un buen control. Finalmente se proponen una serie de líneas futuras en base a los resultados obtenidos en el presente trabajo. Una de ellas, entre otras, es la realización de un control para estados de emergencia o condiciones de trabajo críticas debido, por ejemplo, a incidencias en las instalaciones. Además, se propone realizar una simulación mas asemejada a la realidad introduciendo la dinámica de los componentes.

Más información

ID de Registro: 49665
Identificador DC: http://oa.upm.es/49665/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:49665
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 09 Mar 2018 11:58
Ultima Modificación: 09 Mar 2018 11:58
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