Aplicaciones tecnológicas

Simulador de una unidad de ciclo combinado para el entrenamiento de operadores Guillermo Romero J., Juan C. Cordero C., José L. Melgar G., Miguel Ramírez G. y Rogelio E. Martínez R.

La plataforma ProTRAX es una herramienta de simulación para entrenamiento y análisis de sistemas de proceso y de control.

Introducción

E

studios recientes han establecido que el perfil de consumo de energía eléctrica cambiará en los años venideros; la mayor parte de la capacidad de generación será utilizada por los países en desarrollo (México incluido) en lugar de los Estados Unidos y Europa. Además, se afirma que en el futuro cercano se construirán centrales eléctricas basadas en tecnologías de ciclo combinado o que se adaptarán las plantas convencionales para quemar gas natural (Moore, 1995). Las centrales de ciclo combinado (CCC) representan una alternativa diferente a las comúnmente usadas en México; sus ventajas principales son: alta eficiencia, mayor generación de potencia, menor contaminación y gran flexibilidad. Su principal desventaja es su compleja tecnología, ya que combinan dos tipos de generación en una sola unidad. Un estudio del Electric Power Research Institute (EPRI)

(Stone et al, 1990) demostró que para el caso de plantas termoeléctricas como las CCC, existen dos rubros de inversión que se caracterizan por la seguridad de obtener una buena recuperación económica, a través del mejoramiento de la disponibilidad y confiabilidad, mayor eficiencia, menores costos de mantenimiento y una mayor vida del equipo. Estos dos rubros son: la implantación de nuevas tecnologías y el uso de métodos modernos para el entrenamiento del personal de operación de las plantas. Los simuladores de entrenamiento son herramientas imprescindibles y de gran utilidad para la formación y la actualización de operadores (Muñoz, 1993). Su propósito es proporcionar a los operadores de centrales eléctricas un amplio conocimiento para comprender el funcionamiento y operar los equipos y, con ello, controlar eficientemente los procesos. Esto se logra, primeramente, con un adecuado conocimiento y, posteriormente, con prácticas constantes y repetidas en diferentes escenarios, sobre los simuladores que reproduzcan situaciones de interés. La Gerencia de Simulación (GS) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), inició en el mes de julio de 1998, a solicitud del entonces Centro de Adiestramiento de Operadores de Ixtapantongo (CAOI), organismo perteneciente a la Comisión Federal de Electricidad (CFE), el proyecto “Desarrollo de un simulador de alcance total para entrenamiento de operadores de centrales de ciclo combinado, utilizando una plataforma comercial de desarrollo”. Este simulador se desarrolló usando como referencia la unidad 1 de la CCC Samalayuca II y fue entregado al actual Centro Nacional de Capacitación y Adiestramiento de Operadores de Ixtapantongo (CNCAOI) en el mes de mayo del 2000. A partir de esa fecha el simulador se ha usado para capacitar a los operadores de CCC de la CFE. Este artículo muestra y describe las características principales de este simulador.

La central ciclo combinado Samalayuca II La CCC Samalayuca II cuenta con tres unidades multi-flecha Stag capaces de generar 505.8 MW. Cada unidad generadora consta de un turbo generador de gas que genera 114 MW a un potencial de 18 KV. La turbina de gas está diseñada para quemar gas natural y aceite diesel, utilizando un sistema de bajas emisiones de óxidos de nitrógeno DLN2. Los gases producto de la combustión se conducen hacia un generador de vapor por 252 252

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recuperación de calor sin combustión adicional. El vapor que se produce en el recuperador alimenta a otro turbo generador para una generación adicional de 54.6 MW a un potencial de 13.8 KV (CFE, 1997).

El simulador de una unidad de ciclo combinado

La arquitectura del simulador El desarrollo del simulador se basó en el paquete de software especializado para el desarrollo de simuladores de plantas fósiles denominado ProTRAX, Versión 6.1, (ProTRAX, 1998). El sistema de simulación ProTRAX consiste en un paquete de programas de computadora que se emplean para construir y ejecutar modelos de simulación. Los programas principales que conforman al sistema ProTRAX son: • GCPARM (Graphics Model Configuration and Parameterization Program). Este programa es un ambiente totalmente gráfico y se usa para configurar y parametrizar los modelos del simulador. • MODGEN (Model Generator). Se utiliza para generar un programa ejecutable de los modelos. • RTEXEC (Run-time Executive). Se emplea para ejecutar y coordinar los modelos del simulador; contiene un amplio conjunto de instrucciones usadas en las sesiones de entrenamiento, con ello permite al instructor seleccionar condiciones iniciales e introducir fallas en los diferentes sistemas que forman el simulador. Además, permite monitorear y graficar variables del proceso de simulación. También contiene una serie de programas auxiliares, uno de ellos es el GSEXEC (Graphics Screen Editor) que sirve para construir pantallas dinámicas para la emulación de las estaciones de operación de los sistemas de control distribuido de la unidad simulada. En lo relativo al hardware, el simulador de la unidad 1 de la planta de ciclo combinado de Samalayuca II (SUIPCCS) está integrado por siete nodos (dos servidores y 5 computadoras personales) conectados en una red de Ethernet, tal como se muestra en la Figura 1. Estos nodos del simulador se agrupan a su vez, en cinco sistemas principales: • Sistema del Medio Ambiente de Simulación (SMAS). Este sistema se localiza en el nodo denominado NMAS y controla la ejecución en tiempo real de los diferentes procesos del simulador y el acceso a la consola del instructor. También realiza la administración de recursos de la red local formada por las computadoras personales e impresora láser del simulador. Los modelos de proceso principales del simulador son ejecutados en este nodo. Figura 1. Arquitectura hardware del simulador de una central ciclo combinado.

La herramienta ProTRAX ofrece la posibilidad de adaptar los sistemas de control reales de la unidad a su ambiente de simulación, a través de un proceso de traducción de los archivos de configuración de la planta real. • Sistema de Respaldo y Monitoreo (SMASR). Este sistema está localizado en el nodo NMASR y se utiliza para realizar una supervisión adicional para el instructor de los despliegues del sistema MARK-V, del Bailey INFI-90 y del CEM y, en caso de falla del NMAS, puede ser habilitado para que cumpla sus funciones. • Sistema de Control Distribuido (SCD). Localizado en los nodos SCD1 y SCD2, tiene el objetivo de emular las gráficas y las funciones de la interfaz de una estación de operador INFI-90 de Bailey. Además, el SCD2 ejecuta los procesos de Entrada/Salida de señales para el panel de emergencia y la consola de operación del SCD. Cada nodo maneja dos monitores. • Sistema de Control MARKV (MarkV). Este sistema se encuentra instalado en los nodos MARKV1 y MARKV2 y tiene como finalidad emular las consolas del operador del sistema de control SPEEDTRONIC MARK-V de las turbinas de gas y de vapor. • Sistema de Control de Emisiones Contaminantes (SCEC). Este sistema se encuentra en el nodo CEM, llamado así por las siglas en inglés del sistema Contaminant Emission Monitoring, tiene como finalidad emular la consola del sistema de monitoreo de emisiones contaminantes.

Modelado matemático La plataforma ProTRAX es una herramienta de simulación para entrenamiento y análisis de sistemas de proceso y de control. Está diseñada para desarrollar modelos de simulación de procesos de alta fidelidad y calidad. El sistema ProTRAX es modular, permite la interconexión en forma gráfica de módulos que represen-

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El sistema ProTRAX es modular, permite la interconexión en forma gráfica de módulos que representan bombas, válvulas, calentadores, turbinas, etc.

ración de la unidad, que incluye: la normalización de los sistemas, la puesta en servicio de la planta, el rodado de la turbina de vapor, la sincronización de los generadores y la toma de carga, la operación a cualquier carga (25%, 50%, 75%, 100%), la operación bajo condiciones anormales de operación (fallas) y el eventual control de la situación, los transitorios de operación y la puesta fuera de servicio de la unidad.

Sistema de Control Distribuido Bailey INFI-90 tan bombas, válvulas, calentadores, turbinas, etc. La formulación matemática de los módulos se basa en principios básicos, relaciones de conservación, en la 2ª Ley de la Termodinámica y en correlaciones para los coeficientes de transferencia de calor y de mecánica de fluidos.

Modelos de proceso Los modelos son un conjunto de ecuaciones lógicas, algebraicas y diferenciales programadas en un lenguaje de computación de alto nivel, capaces de reproducir el comportamiento de la unidad generadora de referencia en diferentes situaciones de operación. En el simulador se incluyeron los modelos necesarios que permiten reproducir el comportamiento de una central de ciclo combinado en cuanto a las variables reportadas en el cuarto de control y las necesarias en la consola del instructor (CI). Los sistemas que fue necesario simular, utilizando los elementos o módulos de la herramienta ProTRAX, fueron los siguientes (Roldán et al, 1999): Vapor principal, Recalentado y turbinas de vapor, Combustible diesel, Aceite de lubricación, Aceite de sellos, Condensado, Aceite de control, Circuito cerrado de agua de enfriamiento, Agua de alimentación, Eléctrico, Control químico del agua, Extracción de incondensables, Gas combustible, Aire de instrumentos y servicios, Sistema de vapor de sellos, Vapor y caldera auxiliar, Agua desmineralizada, Agua de servicios, Hidrógeno, Excitación y generación, Generador diesel de emergencia, Inyección de agua para control de NOx, Agua potable, Turbina de gas y Equipos auxiliares. Los sistemas que fue necesario desarrollar sin utilizar la herramienta ProTRAX, puesto que ésta no cuenta con módulos especializados, fueron el Sistema de Monitoreo de Emisiones Contaminantes (CEM) y las Turbinas de gas y de vapor parte mecánica (Cordero, 2000; Melgar, 2000). Los modelos responden a las acciones efectuadas en las consolas de control del proceso, en el tablero de emergencia y en las operaciones de campo (efectuadas por el instructor mediante parámetros internos y externos). El simulador de la unidad de ciclo combinado permite simular todo el rango de ope-

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La herramienta ProTRAX ofrece la posibilidad de adaptar los sistemas de control reales de la unidad a su ambiente de simulación, a través de un proceso de traducción de los archivos de configuración de la planta real. Para el caso del sistema de control distribuido INFI-90 de Bailey, se utilizó este proceso de traducción y se logró adaptar al ambiente de simulación de ProTRAX. El SCD INFI-90 incluye los controles lógicos y analógicos del recuperador de calor (control de presión y nivel de los domos de alta, intermedia y baja presión) y de sus sistemas auxiliares (Agua de alimentación, Aerocondensador, Vapor de sellos), los del sistema eléctrico, (subestación principal y alimentación a equipos auxiliares), y el control de los despliegues de las pantallas desde donde se realiza la operación de estos sistemas.

Sistema de Control G.E. Speedtronic Mark-V Los modelos del sistema de control MARK-V también fueron obtenidos mediante el proceso de traducción, en él se utilizaron los archivos de configuración originales de la central de referencia. Las acciones de control principal de este sistema se refieren al control, secuenciamiento y protección de las turbinas de gas y de vapor y de sus respectivos generadores eléctricos, que forman parte de la unidad de ciclo combinado. Dentro de las acciones de control que realizan estos modelos se pueden mencionar las siguientes: • Turbina de Gas. Arranque, paro, control de velocidad/carga, control de temperatura, de álabes guía, de combustible gas/líquido, de emisiones y de sincronización. • Turbina de Vapor. Arranque, paro, control de velocidad/ carga, de presión de entrada, de admisión de baja presión y de sincronización.

Problemática asociada a la utilización de la herramienta comercial La elección de la herramienta para el desarrollo del simulador de CCC estuvo precedida de un análisis exhaustivo de diferen-

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tes programas contenidos en las “paqueterías” comerciales (Huerta et al., 1999). Se escogió la mejor plataforma de desarrollo, la que hasta el momento de la elección presentaba las mayores ventajas en la construcción del simulador. No obstante, es necesario mencionar que se tuvo que enfrentar y resolver la problemática siguiente: • Alcance y fidelidad de los modelos. En lo relacionado con el alcance y fidelidad de los modelos, ProTRAX solamente garantiza el adecuado funcionamiento de éstos cuando operan al 100% de carga. Los otros rangos de operación, (estado frío, 25, 50 y 75%) tuvieron que ser obtenidos haciendo los ajustes adecuados y pertinentes en los parámetros de los modelos involucrados en el simulador. Roldán y Zorrilla (1999) presentan una comparación del desempeño y fidelidad del modelo del sistema de condensado, utilizando módulos de ProTRAX y modelos desarrollado en la GS del IIE. • Proceso de traducción. Ante el inadecuado funcionamiento del modelo del aerocondensador en la fase de pruebas, se detectó que en el proceso de traducción del SCD Bailey INFI-90, el módulo “Elevar x a una potencia y” se traduce de manera incorrecta. Además, en relación con el sistema de control Mark-V, en el traductor no se incluye la lógica de apertura/cierre de interruptores de máquina, aun cuando esta información se encuentra contenida en los archivos de configuración utilizados. Figura 2. Valores de tendencia de las variables críticas del simulador a diferentes cargas. Tendencia de variables críticas 140 120

La validación del simulador se llevó a cabo probando su respuesta contra los 24 procedimientos de operación elaborados por personal especializado de la CFE, denominados “Procedimientos de pruebas de aceptación del simulador” . • Parámetros internos e introducción de fallas. La manipulación de parámetros internos (acciones manuales en campo) y la introducción de fallas en ProTRAX no está muy desarrollada. Se debieron implantar interfaces especiales en el simulador para la resolución de esta deficiencia. • Modelos eléctricos. El modelo de regulador automático de tensión (RAT) ofrecido por la herramienta es deficiente. Se tuvo que diseñar y desarrollar, con módulos lógicos y analógicos de la herramienta, un RAT que representara fielmente el regulador de la unidad de referencia. También se tuvieron que modelar los efectos por temperatura en los devanados del generador principal ya que la herramienta ProTRAX no los considera. • Modelos de vibraciones, turbina parte mecánica y del sistema de emisiones contaminantes CEM. La herramienta ProTRAX no cuenta con módulos para modelar efectos de vibraciones en las turbinas, ni elementos o módulos para modelar el CEM. Se necesitó desarrollar modelos externos. • Módulos de interconexión Control-Proceso. Para realizar la interconexión de los modelos de control (Bailey INFI-90 y Mark-V) con los modelos de proceso, ProTRAX ofrece sólo la posibilidad de comunicarlos a través de los módulos de transductores, disponibles en su ambiente gráfico. Esta estrategia dificulta el acceso a las señales de interconexión (son alrededor de 3000 señales) para modificaciones eventuales, ya que no se cuenta con un sistema eficiente de búsqueda. Martínez (2001) presenta con detalle las soluciones implementadas para tratar estas dos últimas problemáticas.

100

Figura 3. Arranque de la turbina de gas, comportamiento de la velocidad de la turbina.

80 60

NGG

4000.0

20 0 0

50

100 (%)

Pot. Elec TG

Carga Pot. elec. TV

150

Velocidad de la TG, RPM

40 3200.0

2400.0

1600.0

800.0

Presión VP

Flujo VP

0

Presión Vap Reca

Temp. Vap Reca.

39:43

Flujo VBP a TBP

Flujo Agua Alim.

39:53

40:03

40:13

40:23

40:33

Tiempo ( HH: MM )

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Las acciones de control principal de este sistema Speedtronic Mark-V se refieren al control, secuenciamiento y protección de las turbinas de gas y de vapor y de sus respectivos generadores eléctricos, que forman parte de la unidad de ciclo combinado.

Las soluciones de cada una de estas problemáticas que se presentaron durante el desarrollo del simulador, fueron diseñadas e implementadas por el personal participante en el proyecto. La experiencia y conocimientos fueron determinantes para dar con una solución adecuada en cada situación y, con ello, lograr la terminación del simulador sin contratiempos.

Validación y resultados La validación del simulador se llevó a cabo probando su respuesta contra los 24 procedimientos de operación elaborados por personal especializado de la CFE, denominados “Procedimientos de pruebas de aceptación del simulador” (Cordero et al., 1999). Esta validación tiene como objetivos principales: verificar que el simulador cumpla satisfactoriamente con el estado frío y los estados de generación a 25, 50, 75 y 100% de la capacidad nominal; comprobar que todas las maniobras operativas reales son reproducibles; que el simulador tenga un comportamiento correcto durante los estados transitorios; y garantizar la robustez del simulador como sistema de entrenamiento. En la Figura 2, se muestran las tendencias de algunas variables consideradas críticas en el simulador de CCC. El ajuste del simulador se llevó a cabo a partir de la condición de 100% de carga y como se puede observar en la figura, no se presentan discontinuidades o valores fuera de rango en las condiciones de 0, 25, 50 y 75% de carga. En la Figura 3 se puede observar la evolución de la velocidad de la turbina de gas durante su arranque. La tendencia de la velocidad obtenida con el modelo del simulador, es una curva de arranque típica de turbinas de gas.

relacionado con el comportamiento del simulador, se refiere a que éste cuenta prácticamente con el mismo sistema de control distribuido y de control de turbinas de gas y de vapor de la unidad de ciclo combinado Samalayuca II. Se requirieron solamente ajustes mínimos en los parámetros de los controladores de los lazos de regulación, lo cual significa que los modelos de proceso que fueron obtenidos por los ingenieros de modelos de la GS, reproducen correctamente el comportamiento real de la unidad de referencia. Finalmente, es necesario mencionar todos los beneficios que se obtienen con la mejor capacitación que obtienen los operadores al utilizar el simulador: se garantiza la operación confiable de las unidades de generación, se reduce el número de fallas de operación por error humano, se genera la posibilidad de capacitar al personal de operación en situaciones críticas (de emergencia o falla) y se incrementa la eficiencia de la unidad de generación por las mejoras en su operación.

Agradecimientos y reconocimientos Conclusiones El simulador de la unidad 1 de ciclo combinado de Samalayuca II está instalado en el CAOI y desde su entrega se encuentra funcionando y dando servicio de entrenamiento al personal de centrales generadoras de la CFE. Fue probado y validado por personal de la CFE que cuenta con una gran experiencia en la operación de unidades de ciclo combinado y en el uso de simuladores para capacitación. Se realizaron los ajustes necesarios y se obtuvieron los resultados esperados en cuanto al comportamiento y dinámica del simulador comparado con la unidad de referencia. Un aspecto muy importante y que da certidumbre en lo

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Se agradece al personal de la GS que participó en el desarrollo del proyecto. Al Dr. José Montoya M., jefe del proyecto, por su liderazgo y coordinación de esfuerzos, por el cuidado que tuvo para dar seguimiento a cada una de las actividades del proyecto fue determinante. De manera muy especial al Dr. Edgardo Roldán V., por su experiencia, sus conocimientos y su intensa dinámica mostrada a todo lo largo del proyecto. A los ingenieros de modelos Yadira Mendoza A. y Jorge Zorrilla A.; a los integrantes del grupo hardware Luis Carrillo C., César López U. y Rafael Román C., por su capacidad y entusiasmo al formar parte del grupo de desarrollo. Se agradece también a los ingenieros Rafael Cruz Cruz

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y Mario Villaverde de la CFE, por su valioso apoyo durante el desarrollo del proyecto. Guillermo Romero Jiménez Ingeniero Industrial en Electrónica por el Instituto Tecnológico de la Laguna (1982), con maestría en Ingeniería Eléctrica, especialidad en Electrónica de Potencia por el Centro de Graduados del Tecnológico de la Laguna (1986) y doctorado en Control Automático por el Politécnico de Grenoble, Francia (1996). En 1984 ingresó al Departamento de Fuentes No convencionales del IIE para colaborar en el proyecto “Desarrollo y puesta en servicio de un simulador de alcance total para entrenamiento de operadores de la Central Nucleoeléctrica Laguna Verde CNLV”. Autor de varios artículos relacionados con el modelado de sistemas de control en tiempo real y actualmente es el responsable del área de plataformas para el desarrollo de aplicaciones de sistemas tutoriales inteligentes en capacitación y adiestramiento de la Gerencia de Simulación. [email protected]

Juan Carlos Cordero Cruz Egresó del Instituto Tecnológico de Celaya como Ingeniero Industrial en Química (1985), cursó su maestría en Ingeniería de Procesos en la Escuela Central de París (1993) y su doctorado lo hizo en Ingeniería de Proceso en la Escuela Nacional de Ingenieros de Ingeniería Química (INPT) de Toulouse, Francia (1997). Ingresó al IIE en 1986 al entonces Departamento de Geotermia; posteriormente se integró a la Gerencia de Simulación realizando modelos matemáticos de redes de flujos y presiones y de procesos térmicos para el simulador para la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde. Autor y coautor de numerosos artículos especializados, también ha sido catedrático en universidades locales. [email protected]

José Luis Melgar García Ingeniero Mecánico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (1987) y maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por el ITESM-Campus Monterrey (1994). Es investigador de la Gerencia de Simulación desde 1988, especialista en modelado de sistemas mecánicos. Colaboró en las actualizaciones y mejoras del simulador de la CNLV y del simulador de Centrales Termoeléctricas. Ha publicado artículos nacionales e internacionales sobre modelado de lubricación elastohidrodinámica y vibraciones en rotores. [email protected]

Miguel Ramírez González Ingeniero Eléctrico (1996) por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) y maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con especialidad en sistemas de potencia por el Instituto Tecnológico de la Laguna (1998). En 1998 ingresó al IIE como investigador de la Gerencia de Simulación. Su área de especialidad incluye el modelado de sistemas eléctricos de potencia y de control. Ha presentado varios artículos en congresos nacionales. [email protected]

Rogelio Enrique Martínez Ramírez Licenciado en Informática por el Instituto Tecnológico de Zacatepec, con especialidad en Bases de datos (2000). Ese año ingresó al IIE como investigador de la Gerencia de Simulación, en el área de desarrollo de software. Es especialista en desarrollo de software ejecutivo, interfaces hombre-máquina y de sistemas basados en conocimiento. Coautor de varios artículos en congresos internacionales. [email protected]

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