CAPITUILO II MARCO TEORICO
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17 CAPITUILO II MARCO TEORICO El siguiente capítulo está conformado por los trabajos de investigación realizados con anterioridad, utilizados como antecedentes para alcanzar los objetivos propuestos y sobre los cuales se fundamenta el presente estudio. Además de ello, se componen de las bases teóricas relacionadas al tema en cuestión, la definición de términos básicos así como la definición conceptual y operacional de las categorías de investigación. 1. Antecedentes de la investigación Toda investigación tiene su comienzo en inquietudes sobre el interés de un tema especial y en muchas ocasiones su inquietud nace de trabajos e investigaciones con marcados precedentes. Sin importar cual sea el motivo, los estudios representan una serie de información sirviendo de base para establecer, descubrir o plantear nuevos esquemas. A continuación se muestra una descripción de algunos trabajos o investigaciones en el área de ingeniería de control que fueron de gran utilidad para esta investigación, además del aporte especifico de los mismos.
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CAPITUILO II
MARCO TEORICO
El siguiente capítulo está conformado por los trabajos de investigación
realizados con anterioridad, utilizados como antecedentes para alcanzar los
objetivos propuestos y sobre los cuales se fundamenta el presente estudio.
Además de ello, se componen de las bases teóricas relacionadas al tema en
cuestión, la definición de términos básicos así como la definición conceptual y
operacional de las categorías de investigación.
1. Antecedentes de la investigación
Toda investigación tiene su comienzo en inquietudes sobre el interés de un
tema especial y en muchas ocasiones su inquietud nace de trabajos e
investigaciones con marcados precedentes. Sin importar cual sea el motivo, los
estudios representan una serie de información sirviendo de base para establecer,
descubrir o plantear nuevos esquemas. A continuación se muestra una
descripción de algunos trabajos o investigaciones en el área de ingeniería de
control que fueron de gran utilidad para esta investigación, además del aporte
especifico de los mismos.
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Según, Iragorry (2005) para optar al título de magister scientiarum en
ingeniería de control y automatización de procesos en la Universidad Dr. Rafael
Belloso Chacín, basa su trabajo de investigación titulado “Modelos matemáticos de
procesos basados en funciones de Laguerre para calderas Indeck”, la
investigación se realizó a tres calderas ubicadas en la planta eléctrica del complejo
petroquímico Ana María Campos, se obtuvieron los modelos matemáticos para
estas unidades generadoras de vapor. Identificó como variable de medición la
producción de vapor de cada una de las calderas y la variable controlada
identificada es la medición de presión del cabezal, y como perturbaciones se
tomaron todos los consumidores de vapor y el cambio del poder calorífico del gas.
Iragorry con la variable de medición del flujo de vapor, desarrolló los modelos
dinámicos para cada una de estas calderas. Ella concluyó que los modelos
obtenidos utilizando funciones de Laguerre arrojaron buenos resultados y que la
validación dentro de los parámetros eran aceptables, recomendó además la
realización de investigaciones donde se consideren el flujo de gas, el flujo de aire
y el poder calorífico como variables a medir.
Esta investigación se relaciona en algunos aspectos con este trabajo de
investigación en el hecho de que las calderas de objeto en estudio se relacionan
en cuanto a su funcionamiento, a pesar de que la potencia en toneladas horas no
sean las mismas. Sin embargo, los enfoques de ambas investigaciones fueron
diferentes. Así mismo sirve de punto de partida para agregar otros dos tipos de
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perturbaciones como el flujo de gas y flujo de aire y así obtener un resultado
mucho más preciso en la respuesta de equipo ante dichas perturbaciones.
El aporte de esta investigación se fundamenta que la base principal para
proponer la automatización, se caracteriza por diseñar un modelo matemático
aproximado lo más real al comportamiento de la dinámica del sistema de la
caldera acuotubular de 22 toneladas/horas, y como las ecuaciones que describen
el sistema son ecuaciones diferenciales, las funciones de Laguerre nos permitirán
examinar las soluciones de las mismas y encontrar soluciones linealmente
independientes, al mismo tiempo será de un valioso aporte para poder diseñar el
modelo matemático por medio de identificación de sistemas dinámicos y por medio
de las funciones de Laguerre podemos realizar una aproximación de los
parámetros característicos, que es la raíz real dominante de un modelo de primer
orden más tiempo muerto,
Según, Mosquera (2009) para optar al título de magister scientiarum en
ingeniería de control y automatización de procesos en la Universidad Dr. Rafael
Belloso Chacín, basa su trabajo de investigación titulado “Diseño de un sistema de
control de combustión para calderas acuotubulares en plantas de generación de
vapor”. Cuyo objetivo fundamental fue diseñar un sistema de control de
combustión para calderas acuotubulares en plantas de generación de vapor
saturado, la cual tuvo como variable el sistema de control de combustión. En esta
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investigación se diseñó el control óptimo que mantenga los valores de oxigeno
dentro de la caldera de acuerdo a la curva de diseño a diferentes cargas de vapor
según las exigencias del proceso. La metodología utilizada en la investigación fue
de tipo aplicada, según su diseño es experimental evaluativa ya que el
investigador intervino en las variables independientes que fueron el flujo y presión
de gas y oxigeno para poder diseñar la curva de carga del generador de vapor. La
metodología aplicada en el desarrollo de este proyecto consto de tres fases:
Fase I: Estudio del problema, Fase II: Metodología para obtener los datos
experimentales a fin de construir el modelo matemático del proceso de
combustión, Fase III: Selección de un modelo auto- regresivo de entrada externa
(ARX), obteniendo una ecuación matemática con resultados satisfactorios para el
diseño del controlador, los resultados obtenidos arrojaron una respuesta estable
del sistema en un periodo corto de tiempo y sin perturbaciones.
El trabajo anterior, contribuye a esta investigación en lo relacionado a los
sistemas de control, para poder evaluar y establecer la forma más óptima para
proponer la automatización del proceso de inyección de vapor en gabarras de
generación e inyección de vapor con calderas acuotubulares que permitan obtener
los parámetros de combustión acorde a las leyes para la higiene y seguridad
ambiental y al mismo tiempo mejorar la eficiencia de equipo por medio de una
metodología sencilla para obtener el modelo paramétrico, los mismos se ajustaron
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a los datos reales del proceso de combustión que dieron como resultado el diseño
del controlador.
Según, Peña (2011) para optar al título de magister scientiarum en ingeniería
de control y automatización de procesos en la Universidad Dr. Rafael Belloso
Chacín, basa su trabajo de investigación titulado “Sistema de control de presión
basado en redes neuronales para calderas portátiles acuotubulares. La cual tuvo
como variable las calderas portátiles y la red neuronal, para esta investigación se
diseñó el sistema de control para calderas acuotubulares portátiles que permitan
manipular la presión de inyección hacia los pozos según las exigencias del
proceso.
La metodología aplicada en esta investigación corresponde a un proyecto
factible, cuyas fases a desarrollar durante el proceso de la investigación han sido
determinados por el autor, basado en el conocimiento del proceso de inyección de
vapor a los pozos de petróleo y comprende lo siguiente:
Fase I: Descubrir el funcionamiento de la caldera portátil de tipo acuotubular,
Fase II: Analizar las variables asociadas al proceso de control para la generación
de vapor, Fase III: Elaborar un modelo matemático del sistema de inyección de
vapor de la caldera, donde se elaboraron algoritmos en Matlab para el tratamiento
de la información y para generar las funciones paramétricas que identifican el
proceso, Fase IV: Establecer pesos y parámetros de la red neuronal para el
control de presión, Fase V: Diseñar la red neuronal para el modelo matemático del
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sistema de inyección de vapor de la caldera portátil acuotubular, Fase VI: Evaluar
la red neuronal experimental para el control de presión de inyección de vapor,
demostrando los resultados por medio de una simulación y determinando la
estabilidad del sistema por medio de la aplicación Matlab.
El trabajo anterior, contribuye a esta investigación en lo relacionado a la forma
de controlar la presión de vapor, mediante algunas perturbaciones existentes en el
proceso de generación de vapor, tales como la formación del yacimiento, flujo de
gas combustible, flujo de agua a la caldera, entre otros, permitiendo evaluar los
tipos de automatización existentes y poder obtener el más adecuado partiendo de
un comportamiento dinámico mediante un modelado matemático, una vez
definidas todas las variables involucradas en el sistema, partiendo de las
características del sistema de inyección y generación de vapor en las calderas
acuotubulares.
2. Bases Teóricas
Las bases teóricas que fundamentan este estudio, se desarrollan a
continuación:
2.1 Sistemas
Un sistema es una combinación de componentes que realizan un objetivo
determinado. Un sistema no necesariamente es físico. Los pueden ser de
múltiples entradas y múltiples salidas como se ilustra en la Figura 1. Por tanto, la
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palabra sistema debe interpretarse como una implicación de sistemas físicos,
biológicos, económicos y similares (Ogata, 2003).
Figura 1. Sistemas. Fuente: Ogata (2003)
2.1.1 Sistema de Control
Un sistema de control es aquel en el cual una o más salidas, están obligadas a
cambiar en forma deseada a medida que transcurre el tiempo, en el sentido más
amplio un sistema de control es cualquier interconexión de componentes que
satisfacen una función deseada (Dorf, 1989).
2.1.1.1 Componentes básicos de un sistema de control
Los componentes básicos de un sistema de control se pueden describir
mediantes:
• Objetivos de control.
• Componentes del sistema.
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• Resultados o salidas.
La relación básica de estos tres componentes se ilustra en la siguiente Figura 2.
En términos más técnicos, en todo sistema de control los objetivos se pueden
identificar como la variable controlada, que es la cantidad o condición que se mide
y controla, para así tener un valor de referencia y resultados que no son otros que
la cantidad o condiciones modificada por el controlador o también llamada la salida
del sistema y manipularla para corregir o limitar la desviación del valor medido con
respecto al valor deseado. En general el objetivo de un sistema de control es
controlar las salidas en alguna forma prescrita mediante las entradas a través de
los elementos del sistema de control.
Figura 2: Componentes básicos de un sistema de control. Fuente: Kuo B. (1996)
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2.1.2 Clasificación de los sistemas de control
Tomando en cuenta los aspectos de las diferentes clases de sistemas de
control que se puede encontrar el hombre en cada una de sus experiencias
cotidianas.
2.2.2.1 Sistema de control escalar en lazo abierto (Sistemas no
realimentados)
Aquel que utiliza un controlador (un sistema) en cascada con el sistema a ser
controlado (planta o proceso) para obtener la respuesta deseada (Giraldo y
Tabares, 2002).
Los elementos de un sistema de control en lazo abierto se puede dividir en dos
partes: El controlador y el proceso controlado, como se muestra en la siguiente
figura 3
Figura 3. Elementos de un sistema de control en lazo Abierto. Fuente: Kuo
B. (1996)
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Una señal de entrada o comando “r” se aplica al controlador, cuya salida actúa
como una señal actuante “u”, la señal actuante controla el proceso controlado de
tal forma que la variable controlada “y” se desempeñe de acuerdo con estándares
preestablecidos. En los casos simples, el controlador puede ser un amplificador,
unión mecánica, filtro u otros elementos de control. En los casos más complejos,
el controlador puede ser una computadora tal como un microprocesador. Debido
a la simplicidad y economía de los sistemas de control en lazo abierto, se les
encuentra en muchas aplicaciones no críticas.
2.2.2.2 Sistema de control escalar en lazo cerrado (Sistemas de
control realimentados)
Aquel que utiliza una medida de la salida actual para compararla con la
respuesta deseada (Giraldo y Tabares, 2002), para tener un control más exacto la
variable controlada “y” debe ser realimentada y comparada con la entrada de
referencia, y debe enviar una señal actuante proporcional a la diferencia de la
entrada y la salida a través del sistema para corregir el error. Un sistema con una
o más trayectorias de realimentación como el que se acaba de describir se
denomina sistema en lazo cerrado, en la siguiente Figura 4 se muestra dicho
sistema
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Figura 4 Elementos de un sistema de control en lazo Cerrado. Fuente: Kuo
B. (1996)
Los sistemas de control realimentados se pueden clasificar en diferentes
formas, dependiendo del propósito de la clasificación. Por ejemplo de acuerdo con
el método de análisis y diseño, los sistemas de control se clasifican en lineales y
no lineales, variantes con el tiempo o invariantes con el tiempo. De acuerdo con
las señales usadas en el sistema, se hace referencia a sistemas en tiempo
continuo o en tiempo discreto, o sistemas modulados y no modulados. A menudo
los sistemas de control se clasifican de acuerdo con su propósito principal, en
general, existen muchas formas de identificar un sistema de control de acuerdo
con alguna función especial del sistema.
2.2.2.3 Sistemas de control lineales vs no lineales
Esta clasificación está hecha de acuerdo con los métodos de análisis y diseño.
Estrictamente hablando los sistemas lineales no existen en la práctica, ya que
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todos los sistemas físicos son no lineales en algún grado. Los sistemas de control
de control realimentados son modelos ideales fabricados por el Ingeniero de
control para simplificar el análisis y diseño.
Cuando las magnitudes de las señales en un sistema de control están limitadas
en intervalos en los cuales los componentes del sistema exhiben una
característica lineal (se aplica el principio de superposición), el sistema es
esencialmente lineal. Pero cuando las magnitudes de las señales se extienden
más allá del intervalo de porción lineal, dependiendo de la severidad de la no-
linealidad, el sistema no se debe seguir considerando lineal. Por ejemplo, los
efectos no-lineales que se encuentran en sistemas de control, son el juego entre
dos engranes acoplados, la característica de resorte no lineal o par entre dos
miembros móviles, etc.
Muy a menudo las características no lineales son introducidas en forma
intencional en un sistema de control para mejorar su desempeño o proveer un
control más efectivo, por ejemplo, para alcanzar un control de tiempo mínimo, un
tipo de controlador prendido - apagado (relevador) se emplea en muchos misiles o
sistemas de control de naves espaciales. Típicamente en estos sistemas, los
motores de reacción están a los lados del vehículo para producir un par de
reacción para control de altitud. Estos motores de reacción son controlados en una
forma o totalmente prendidos o totalmente apagados, por lo que una cantidad fija
de aire es aplicada desde un motor de reacción dado, durante cierto tiempo para
controlar la altitud del vehículo espacial.
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2.2.2.4 Sistema lineal invariante con el tiempo o en tiempo
continúo
Un sistema en tiempo continúo es aquel en que las señales en varias partes del
sistema son todas funciones de la variable continua tiempo t. Entre todos los
sistemas de control en tiempo continuo, las señales se pueden clasificar
posteriormente como de corriente alterna o corriente directa. A diferencia de la
definición general de señales de ca y cd utilizadas en ingeniería eléctrica, los
sistemas de control de ca y cd tienen un significado especial en la terminología de
sistemas de control. Cuando se hace referencia a un sistema de control de ca,
usualmente significa que las señales en el sistema están moduladas según algún
esquema de modulación.
Por otro lado, cuando se hace referencia a un sistema de control de cd, no
significa que todas las señales del sistema sean unidireccionales; entonces no
habría movimientos de control correctivo. Un sistema de control de cd,
simplemente implica que las señales no son moduladas, pero aun son señales de
ca de acuerdo con la definición anterior (Kuo, 1996).
2.2.2.5 Sistema de control en tiempo discreto
Un sistema de control en tiempo discreto es aquel que abarca una o más
variables que son conocidas solo en instantes discretos de tiempo. Estos difieren
en los sistemas de control en tiempo continuo en que las señales en uno o más
puntos del sistema son tomadas mediante muestras periódicas. Normalmente los
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sistemas de control en tiempo discreto se subdividen en sistemas de control de
datos muestreados por un periodo de tiempo T y sistemas de control digital.
Los sistemas de control de datos muestreados se refieren a una clase más
general de sistemas de control en tiempo discreto en los que las señales están en
forma de pulsos de datos. Un sistema de control digital se refiere al uso de una
computadora o controlador digital en el sistema, de tal forma que las señales están
en código digital, tal como un código binario.
En general un sistema de datos muestreados recibe datos o información solo en
forma intermitente en instantes específicos. Estrictamente un sistema de datos
muestreados también se puede clasificar como un sistema de ca, ya que la señal
del sistema esta modulada por pulsos (Kuo, 1996).
2.2.2.6 Sistema de control supervisorio
Un sistema de control supervisorio es un proceso de control monitoreado, por
medio del cual, se acortan las distancias y el tiempo requerido para inspeccionar
las distintas variables o factores que condicionan el funcionamiento de un sistema,
permitiendo al operador visualizar los datos por él, solicitados a través de un
procesador o una estación móvil, como se ilustra en la Figura 5.
Cabe decir, que Marquina G. (1993, p. 165-166), lo contextualiza como:
Sistemas formados por un conjunto de componentes eléctricos y electrónicos
capaces de detectar fallas o interrupciones en los niveles de voltaje o corriente de
un proceso, los cuales se reconocen como alarmas. También lo reconoce como
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aquel que ha sido diseñado para examinar el estado de operación de uno o varios
sistemas y detectar las desviaciones que se produzcan con respecto a las
condiciones de funcionamiento consideradas normales.
De esto, se derivan una serie de condiciones necesarias para que un sistema
supervisorio cumpla a cabalidad todos sus propósitos, que por su constante
prioridad dentro de este proceso, se traducen como características, por tal razón
Ocando N. y Rodríguez L. (1996, p. 30-31) mencionan las siguientes:
• Procesamiento de información en tiempo real: Esto quiere decir, que se
obtienen los datos en el mismo momento en que se supervisan las variables,
permitiendo solucionar con mayor rapidez las posibles fallas.
• Capacidad para comunicación remota: Lo que permite chequear las variables
de las distintas estaciones de bases desde el centro de supervisión, sin acudir
personalmente al sitio, teniendo el control a distancia.
• Gráficos o panel indicativo del proceso: Con el objeto de dar una referencia
ilustrada de los distintos rangos de eficacia de las variables supervisadas,
facilitando al operador una mayor comprensión del sistema.
Hay que destacar que para llevar a cabo un sistema de supervisión eficaz es
necesario cubrir con las características antes descritas, además de la utilización
de un importante elemento que permite ser programado para controlar toda la
parte inteligente del sistema.
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Figura 5 Sistema de control supervisorio. Fuente: Giraldo Y Tabares
(1997).
2.2 Calderas
La terminología utilizada en la industria indica que, una caldera es un
recipiente cerrado en el cual se calienta agua, se genera vapor o se sobrecalienta
o cualquier combinación de las dos cosas, dándose estas condiciones bajo
presión o9 vacio mediante la aplicación de; calor de combustibles, electricidad o
energía nuclear (Mosher R.,1987.p. 4-22).
Son quipos destinados a la producción de vapor de agua, para ser utilizados
después como fuerza motriz o como transmisor de calor. La fuente de energía
implementada para generar vapor es comúnmente un combustible, el cual se
quema en presencia de oxigeno liberando energía y productos residuales (Manual
PDVSA, 2007)
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2.2.1 Principios básicos de un Generador de Vapor.
Un generador de vapor esta básicamente conformado por tubos dispuestos
en forma de paredes o bases, a través de los cuales se hace pasar según el tipo
de caldera el fluido de trabajo (generalmente agua) para ser transformada en
vapor, además los gases calientes son aprovechados mediante un economizador
para mejorar la eficiencia.
El fluido de trabajo se hace entrar al hervidor mediante una bomba capaz
de desarrollar una presión mayor a la cual se requiere el vapor, este tipo de
bomba es reciprocante, por tal motivo al incrementarse la temperatura y presión
en la caldera o generador de vapor se incrementa la presión en la descarga de
dicha bomba.
Al calentarse el agua se forman burbujas por efecto de la ebullición y se
produce una mezcla de vapor- liquido cuya densidad es menor que la del liquido
puro, lo que origina el ascenso de la mezcla, esta se sigue calentando hasta el
punto de pasar totalmente al estado de vapor saturado, y este a vapor
sobrecalentado, para este último se utilizan los equipos denominados
sobrecalentadores, como se ilustra en la Figura 6 para mejorar la eficiencia
térmica del generador de vapor (Manual PDVSA, 2007).
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Figura 6. Sobrecalentador o Economizador de una caldera. Fuente: Manual
de PDVSA (2007).
2.2.2 Tipos de calderas
Las calderas según Mosher (1897, p. 4-22) se subdividen generalmente en
cuatro tipos clásicos: Residencial, comercial, industrial y para generación de
energía eléctrica.
Las calderas residenciales: Producen vapor a baja presión o agua caliente,
sobre todo para ser aplicada en la calefacción de residencias privadas.
Las calderas comerciales: Producen vapor o agua caliente principalmente para
aplicaciones de calefacción en uso comercial, con uso casual en operaciones de
procesos.
Las calderas industriales: Producen vapor o agua caliente principalmente para
su aplicación en procesos, con uso casual en calefacción.
Las calderas para generación de energía eléctrica: Producen vapor
principalmente para la producción de electricidad.
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2.2.3 Características de una Caldera
• Rendimiento técnico, Se mide por la relación existente entre la energía
entregada por combustible y el vapor de salida. No toda la energía suministrada es
convertida en vapor, ya que existen perdidas al ambiente, durante el recorrido de
la transformación del agua a vapor.
• Perdidas de energía de un generador de vapor que afectan su rendimiento,
por lo tanto, está perdida se expresa como la cantidad de pérdida de calor.
• Pérdida por combustión incompleta: pueden ser detectadas midiendo la
presencia de hidrocarburos y Dióxido de carbono CO2 en los gases de escape.
• Pérdidas en la chimenea: debido a que los gases de escape abandonan la
última superficie de calentamiento a una temperatura dada.
2.2.4 Clasificación de las calderas
Dentro de los cuatro tipos de calderas más utilizados dentro de los procesos
industriales existentes, existen tipos específicos de calderas o generadores de
vapor que suelen clasificarse como (Lafacu 2002) de la siguiente manera.
2.2.4.1 Calderas pirotubulares o calderas de tubos de humo
En estas calderas la flama y los gases calientes de la combustión pasan por el
interior de los tubos, y constan de varios pases, los cuales se hallan rodeados de
agua u otro medio (ver la Figura 7). En la actualidad las calderas pirotubulares o
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calderas de tubos de humos horizontales se utilizan en instalaciones de
calefacción a baja presión, y algunos tipos más grandes para producir vapor a
presiones relativamente bajas destinadas a calefacción y a producción de energía.
Junto con las calderas pirotubulares o calderas de tubos de humo se utilizan
varios tipos de hogares. Algunos son largos tubos cilíndricos, mientras que otros
son disposiciones de cajas de humo que permiten el quemado de combustibles
sólidos. Estas incluyen un casco que contiene el agua y el espacio de vapor.
Dentro del casco están las placas que soportan los grupos de tubos y los tubos
que son porciones del recipiente a presión. El hogar o caja de humo proporciona el
espacio para los procesos de combustión de la fuente de calor (Mosher R., 1989,
p. 28).
Muchos tipos de calderas pirotubulares o calderas de tubos de humo se
suministran a las industrias, algunas de uno, dos y tres pases para una mejor
eficiencia de trabajo, así como también para incrementar las presiones. Una de
ellas es la caldera horizontal tubular de retorno. En esta unidad los productos de
combustión viajan a través del casco y retroceden a través de los tubos del
recipiente a presión.
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Figura 7. Caldera Pirotubular. Fuente: Portfolio (2002)
Otro tipo de unidad de tubos de humo es la caldera marina escocesa, que fue
creada originalmente para ser instaladas en barcos. Este tipo de calderas puede
alimentarse con combustible sólido, líquido o gaseoso.
Además existe otro tipo de unidad de tubos de humos o pirotubular, y es la
caldera de tipo vertical, en la cual el combustible o la fuente de calor están en la
parte inferior, y los productos de combustión suben a través de los tubos y se
eliminan por la parte superior de la unidad.
2.2.4.2 Calderas acuotubulares o calderas de tubos de agua
Es una caldera que cuenta con muchos arreglos y diseños. Esta unidad tiene
la característica que en el interior de los tubos pasa agua o vapor, y los gases
calientes están en contacto con la superficie externa de aquellos, es decir, rodean
usualmente a los tubos y el agua o vapor que se encuentran en el interior de los
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tubos que se inclinan hacia un recipiente o domo en el punto más alto de la
caldera.
Son empleadas casi exclusivamente para obtener elevadas presiones y
rendimientos, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas
presiones son de tracción en vez de compresión, como ocurre en las calderas
pirotubulares, la configuración de estos tubos describe por lo general el tipo de
caldera, vea la Figura 6.
Figura 8. Caldera acuotubular. Fuente: Portfolio (2002) .
2.2.4.3 Calderas acuopirotubular o calderas unitarias
Este tipo de caldera puede quemar combustible líquido, gas natural o carbón
(ver Figura 9). El hogar mecánico se caracteriza por el tipo de alimentación de
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combustible, el cual se encuentra por la parte inferior constituyendo una
instalación típica. Las puertas frontales y posteriores dan acceso a los tubos.
Los acuotubos laterales están unidos por colectores horizontales que a su vez
van unidos a la cámara de agua del cuerpo cilíndrico de la caldera. La circulación
es excelente debido a que el agua y vapor suben verticalmente por el interior de
los tubos. Los tubos denominados de circulación envían el agua desde la parte
posterior de caldera hasta el colector inferior. Los tubos verticales absorben el
calor irradiado y al mismo tiempo protegen el revestimiento del refractario.
Figura 9. Caldera acuopirotubular. Fuente: Consulterm, Consultores
Térmicos S.L (2002)
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2.2.5 Componente de una Caldera
Para comprender la operación de una caldera es necesario entender lo que
sucede desde la entrada hasta la salida de la unidad (vea la figura 11). Debido a
que varios ciclos están incluidos en la operación completa de la unidad, por ello se
detalla a continuación los distintos componentes que aplican en distintas unidades:
2.2.5.1 Hogar
Fogón o caja de fuego y corresponde a la parte en que se quema el
combustible. Se divide en puerta del hogar y cenicero.
Las calderas pueden instalarse con Hogares para combustibles sólidos, líquidos o
gaseosos, todo dependerá del proyecto del equipo y de la selección del
combustible a utilizar (Manual de Superior Derrick, 2009). Los hogares pueden ser
de tipo refractario o del tipo enfriado por agua.
2.2.5.1.1 Hogar refractario
En este tipo de hogar los ladrillos refractarios forman la envolvente del hogar.
En estos hogares refractarios suelen estar revestidos con aislamiento y un
material de cubierta.
2.2.5.1.2 Hogar de paredes enfriadas con agua
En este tipo de hogar la envolvente consiste en tubos colocados cercanos
entre sí, que absorben el calor para obtener más ganancia del poder calorífico y
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ayudan a la producción de vapor. Estos hogares enfriados por agua pueden tener
paredes de tubos y enladrillados, tubos tangentes o membrana soldada.
La función básica del hogar es permitir que se queme el combustible. Es
necesario que el tamaño del hogar sea suficiente para permitir la combustión
adecuada, el tiempo para la combustión y la turbulencia suficiente para tener una
combustión eficiente.
2.2.5.2 Quemador
El propósito principal de un quemador es mezclar y dirigir el flujo de combustible
y aire de tal manera que se asegure el encendido rápido y la combustión
completa.
2.2.5.3 Sección de la caldera
Se suele mencionar como la sección de la caldera o de convección de la
unidad, donde la salida de la zona de convección entra en la entrada de la zona
radiante: Los tubos cercanos entre sí están dispuestos para permitir el paso de los
productos de la combustión alrededor de los tubos, según el tipo de caldera. En
estas unidades de tubos de agua o acuotubular, si se requiere temperatura
adicional del vapor para el proceso, el vapor se envía entonces a un sobre-
calentador (Mosher, 1987)
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2.2.5.4 Sobre- Calentador
En una unidad sobre-calentadora el vapor se dirige hacia atrás a través de los
productos de combustión para tomar el calor adicional. Este calor adicional
produce una ganancia considerable de energía en el vapor que se libera en el uso
final. Este uso final puede ser una turbina de vapor o cualquier otro tipo equipo
que requiera liberación considerable de energía para su operación. En un sobre-
calentador radiante los tubos están localizados casi siempre en la sección del
hogar de la caldera.
Los sobre-calentadores de tipo convencional; se suelen localizar detrás de la
pared de la pantalla de la sección de convección. Los sobre-calentadores de tipo
radiante, reciben su calor por radiación directa de la llama, en tanto que los de
convección reciben su calor principalmente por el paso de los productos de
combustión alrededor de los tubos (Manual de Superior Derrick, 2009).
2.2.5.5 Calentadores de Aire
Es deseable con frecuencia precalentar el aire para la combustión antes de
ponerlos en contacto con el combustible. Esto es necesario cuando se queman
combustible con un alto contenido de humedad. En un calentador de aire se capta
el aire ambiente y se precalienta utilizando el calor sensible del gas de chimenea
de la caldera que se está descargando de la unidad.
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Esto aumenta la eficiencia global y elimina el uso de combustible extra para
este propósito, debido a que al calentar el aire se reduce la cantidad de
combustible requerido por el quemador de la caldera, esta unidad se le denomina
recuperación de calor (Mosher, 1987).
2.2.5.6 Economizadores
Son una serie de tubos aleteados que componen en economizador de la
caldera, absorbiendo una mayor cantidad de gases de escape que los tubos lisos,
aumentando la eficiencia de la caldera y disminuyendo los choques térmicos,
luego el vapor saturado que sale del tambor de la caldera se calienta aún más
pasando así por encima de su punto de saturación. Este procedimiento determina
una ganancia de termodinámica de eficiencia, debido al área de transferencia de
calor, además tiene la ventaja de que el sobrecalentamiento de vapor, lo hace más
seguro y manejable para ser utilizado por una turbina de vapor (Manual de
PDVSA, 2007).
Un economizador es otra unidad para la recuperación de calor (ver figura 10),
es un componente para la caldera que precalienta el agua de alimentación a la
caldera con respecto a la temperatura ambiente de suministro, lo cual evita los
choques térmicos en las etapas de la caldera, además sirve también para eliminar
las trazas de azufre que existen en la composición de los gases.
Utilizando el calor sensible del gas de chimenea de la caldera que sale de la
unidad. Como sucede en los calentadores de aire, la elevación de estas
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temperaturas del agua de alimentación aumenta la eficiencia de la unidad al
eliminar el combustible adicional que se requiere para la combustión en el
quemador para esta operación (Mosher, 1987).
Figura 10. Economizador. Fuente: Consulterm Consultores Térmicos S: L
(2002).
2.2.5.7 Puertas de Hombres
Puertas cuya tamaño es suficiente para permitir el paso de un hombre para
inspeccionar interiormente una caldera y limpiarla si es necesario (pueden tener
una o más puertas de hombre según su tamaño y del equipo).
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Figura 11. Componentes de las calderas. Fuente: Sainca (2001)
2.3 Identificación de sistemas
Según Jung, 1997 se entiende por identificación de sistemas a la obtención
de forma experimental de un modelo que reproduzca con suficiente exactitud,
para los fines deseados, las características dinámicas del proceso objeto de
estudio. En esta investigación se estarán tomando datos de campo para ser
tratados y analizados para generar los datos de estimación y los datos de
validación con la finalidad de generar el modelo lo más aproximado a la
dinámica del sistema.
2.3.1 Pasos para realizar el proceso de identificación comprende los
siguientes pasos:
• Obtención de datos de entrada – salida: Para ello se debe excitar el sistema
mediante la aplicación de una señal de entrada y registrar la evolución de sus
entradas y salidas durante un intervalo de tiempo.
46
• Tratamiento previo de los datos registrados: Los datos registrados están
generalmente acompañados de ruidos indeseados u otro tipo de
imperfecciones que puede ser necesario corregir antes de iniciar la
identificación del modelo. Se trata, por tanto, de preparar los datos para
facilitar y mejorar el proceso de identificación.
• Elección de la estructura del modelo: Si el modelo que se desea obtener es un
modelo paramétrico, el primer paso es determinar la estructura deseada para
dicho modelo. Este punto se facilita en gran medida si se tiene un cierto
conocimiento sobre las leyes físicas que rigen el proceso.
• Obtención de los parámetros del modelo: A continuación se procede a la
estimación de los parámetros de la estructura que mejor ajustan la respuesta
del modelo a los datos de entrada-salida obtenidos experimentalmente.
• Validación del modelo : El último paso consiste en determinar si el modelo
obtenido satisface el grado de exactitud requerido para la aplicación del
modelo en cuestión. Si se llega a la conclusión de que el modelo no es válido,
se deben revisar los siguientes aspectos como posibles causas al fallo en la
validación:
a) El conjunto de datos de entrada-salida no proporciona suficiente información
sobre la dinámica del sistema, debido a que no se tomaron los datos que
relacionan el sistema.
47
b) La estructura escogida no es capaz de proporcionar una buena descripción
del modelo y se requiere otra forma para recabar los datos para describir el
modelo.
c) El criterio de ajuste de parámetros seleccionado no es el más adecuado, por
lo tanto se recurrirá a otros criterios para estimar los parámetros.
Dependiendo de la causa estimada, deberá repetirse el proceso de
identificación desde el punto correspondiente. Por tanto, el proceso de
identificación es un proceso iterativo, cuyos pasos pueden observarse en el
organigrama de la Figura 12
.
Figura 12. Proceso de identificación de sistemas. Fuente: Jung (1997).
48
2.3.2 Modelos de identificación paramétricas.
- Modelo ARX
? ?? ?? ??? ? ? ?? ?? ??? ? ???? Ecuación 1
Se estima utilizando métodos de mínimos cuadrados, la matriz ? contiene los
valores de entrada y salida ? ? ?? �? ?, donde las variables de entrada y salida son
vectores columna dentro de la matriz ? ? ? ?? ? �? ? �? ? ?. Estos valores representan
el orden y retardo del modelo ARX.
- Modelos ARMAX
? ?? ?? ??? ? ? ?? ?? ??? ? ? ?? ????? Ecuación 2
Se estima utilizando el método de error de predicción, la matriz ? contiene los
valores de entrada y salida ? ? ?? �? ?, donde las variables de entrada y salida son
vectores columna dentro de la matriz ? ? ? ?? ? �? ? �? ? ?. Estos valores representan
el orden y retardo del modelo ARMAX.
- Modelos OE
? ??? ? ? ?? ?? ?? ?? ??? ? ???? Ecuación 3
Se estima utilizando el método de error de predicción, la matriz ? contienen
los valores de entrada y salida ? ? ?? �? ?, donde las variables de entrada y salida
49
son valores columna dentro de la matriz ? ? ? ?? ? �? ? �? ? ?. Estos valores
representan el orden y retardo del modelo OE.
- Modelo Box-Jenkins
? ??? ? ? ?? ?? ?? ?? ??? ? ? ?? ?? ?? ????? Ecuación 4
Se estima utilizando el método de error de predicción, la matriz ? contiene los
valores de entrada y salida ? ? ?? �? ?, donde las variables de entrada y salida son
vectores columna dentro de la matriz ? ? ? ?? ? �? ? �? ? ?. Donde�? ? es el número de
polos, ? ? es el número de ceros y ? ? es el tiempo muerto. Estos valores
representan el orden y retardo del modelo Box-Jenkins.
2.3.3 Modelos Matemáticos.
Según Luyben (1990), el modelo de un sistema es la representación
matemática del comportamiento de un proceso y su control, por lo tanto, el
modelaje son las actividades que llevan a la construcción del mismo. Es por eso,
que es necesario analizar las relaciones entras las variables del sistemas y
obtener un modelo matemático.
El modelaje de un proceso es una actividad de síntesis que requiere el uso
de todos los principios básico de ingeniería tales como: termodinámica, cinética,
fenómenos de transporte, transferencia de calor y masa, entre otros. Para
investigar cómo cambia el comportamiento de un proceso en el tiempo (salidas)
50
bajo influencia de cambio en las perturbaciones externas en la variable
manipulada (entrada), y en consecuencia diseñar un control apropiado, pueden
usarse dos enfoques diferentes:
- Enfoque Experimental: En este caso se dispone de equipos físicos del
proceso. En consecuencia se pueden cambiar los valores de las entradas y
observar cómo cambia las salidas en el tiempo. Este procedimiento consume
tiempo y esfuerzo y usualmente es costoso debida a la gran cantidad de
experimentos que debe ejecutarse.
- Enfoque teórico: Es más común el caso donde debe diseñarse el control antes
de que el proceso allá sido construido. En este caso se necesita una
representación de un proceso para estudiar un comportamiento dinámico. Esta
representación es usualmente un conjunto de ecuaciones matemáticas cuya
solución reproduce el comportamiento dinámico y estacionario del proceso físico-
químico examinado.
El resultado más importante de desarrollar el modelo matemático de un
proceso industrial es la comprensión que se gana en relación con lo que hace que
el proceso se comporte de una manera determinada. Se puede ver con mayor
claridad las relaciones causa- efecto entre las variable. Los modelos matemáticos
son útiles en todas las fases de un proyecto:
51
- Investigación y Desarrollo: Determinación de parámetros y mecanismos
cinéticos a partir de datos de laboratorio o de plantas pilotos. Explorar los efectos
de diferentes condiciones de operación para estudios de optimización.
-Diseño: Explorar el tamaño y arreglo de equipos de proceso para estudiar el
comportamiento dinámico del mismo. Estudiar la interacción de varia partes del
proceso y evaluar estrategias de control alternativas. Simular procedimientos y
situaciones de arranques, paradas y emergencias.
- Operación de plantas: Estudiar problemas de control y procesamiento.
Adiestramiento de operadores. Auxiliar para arranque. Estudiar el efecto y los
requerimientos para expansión (Remoción de cuellos de botella). Optimizar la
operación de plantas.
2.4 Automatización
Tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos,
eléctricos basados en sistemas de control distribuidos para la operación y control
de la producción en las industrias.
Según Florencio (2007), la automatización es definida como la situación de la
acción humana por mecanismos independientes o no entre sí, movidos por una
fuente de energía exterior, capaces de realizar ciclos completos de operaciones
que se pueden repetir indefinidamente. Un sistema automático supone siempre la
existencia de una fuente de energía, de unos órganos de mandos que son los que
ordenan el ciclo a realizar, y de unos órganos de trabajo de que son los que lo
52
ejecutan. En otras palabras, la automatización es la tecnología que trata de la
aplicación de sistemas mecánicos, electrónicos y de bases computacionales para
operar y controlar la producción.
2.4.1 Objetivos de la Automatización:
El proceso de automatización de las actividades industriales permite obtener
una mayor eficiencia en el área de producción a través de procesos más rápidos y
eficientes mediante la exactitud de las maquinas y equipos automatizados, lo cual
aporta los siguientes objetivos:
Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de la producción
y mejorando la misma.
Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos
penosos e incrementando la seguridad y la calidad de la misma que se traduce en
beneficio para el personal y los equipos.
Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual y manualmente.
Mejorar la disponibilidad de los procesos, pudiendo proveer las cantidades
necesarias en el momento preciso.
Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes
conocimientos para la manipulación del proceso productivo y se integre la gestión
y producción.
53
2.4.2 Tipos de automatización industrial:
La automatización en los procesos industriales se basa en la capacidad de
controlar los volúmenes de información necesarios en el proceso productivo,
mediante mecanismos de medición y evaluación de normas de producción a
través de diversos instrumentos controlados por información suministradas por
computadoras, que en procesos más complejos se enlazan en redes con la
finalidad de regular el funcionamiento de los equipos u otros elementos que
operan el proceso productivo, y la misma se tipifica en tres tipos:
2.4.2.1 Automatización Fija:
Es la que se usa cuando el volumen de producción es muy alto, por lo tanto es
adecuada para diseñar equipos especializados para procesar productos o
componentes con alto rendimiento y elevadas tasas de producción.
2.4.2.2 Automatización Programable:
Es la que se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y
hay una diversidad de productos a obtener. En este caso, el equipo de producción
está diseñado para ser adaptable a variaciones en la configuración del producto.
Esta característica de adaptabilidad se logra haciendo funcionar el equipo bajo
control de un programa de instrucciones para el producto dado y la producción se
obtiene por lotes.
54
2.4.2.3 Automatización Flexible:
Es una categoría situada entre las dos anteriores, es más adecuada para el
rango medio de producción. Con este tipo de automatización puede obtenerse
simultáneamente varios tipos de productos en el mismo sistema de fabricación o
producción.
2.4.3 Estructura de un sistema automatizado:
La estructura de un sistema automatizado puede clasificarse en dos partes,
como se ilustra en la Figura 13.
2.4.3.1 Parte Operativa:
Está formada por un conjunto de dispositivos, maquinas o subprocesos,
diseñados para la realización de determinadas funciones de fabricación o
producción. Donde existen módulos de sincronización que permiten ajustar los
eventos externos de la instrumentación de campo con el funcionamiento interno
del circuito electrónico que combina el modulo de adquisición de datos, así .como
también otros elementos del sistema tales como redes de proceso, protocolos de
comunicación o instrumentos digitales.
En el control industrial de procesos la comunicación directa en serie mediante
lazos de 4 – 20mA se ha ampliado con la inclusión del computador, que permite
con estándares de transmisión la gestión del sistema de adquisición de datos y el
mando de sistema de programación.
55
2.4.3.2 Parte de Control o Mando:
Es un dispositivo encargado de realizar las distintas operaciones encaminadas
a mantener la parte operativa bajo control.
En suma, la automatización es un proceso industrial, ya sea máquina, conjunto
o equipo industrial, donde los más utilizados en la actualidad son los controladores
lógicos programables que consisten en la incorporación al mismo de un conjunto
de elementos y dispositivos tecnológicos que aseguren su control y transmisión.
Figura 13. Estructura de un sistema automatizado. Fuente: http://www.sinnexus.com/images/arquitectura_bi.gif.
56
3 Definición de Términos Básicos
3.1 Transmisión de calor (Manual de PDVSA, 2013) : Es la transferencia
de calor de un cuerpo a otro, como el calor producido de una caldera que necesita
transmitirlo al agua contenida en ella.
3.2 Transmisión por Radiación (Manual de PDVSA, 2013): La energía
calórica se transmite de un cuerpo a otro en forma de energía, esta energía no
necesita la existencia de un material para pasar de un cuerpo a otro.
3.3 Transmisión por Conducción (Manual de PDVSA, 2013): Es la forma
más corriente de transmisión de calor, este tipo de transmisión es el que se aplica
en enfriamiento de agua caliente que llega al radiador de un automóvil.
3.4 Transmisión por Convección (Manual de PDVSA, 2013): Solamente se
da en los líquidos y en los gases, y se produce por medio de un fluido que
transporta calor entre zonas con diferentes temperaturas.
3.5 Bombas Centrifugas (Corcho-Duque, 2005): Es la que aprovecha el
movimiento circular de un motor eléctrico o mecánico, para mover un conjunto de
aspas situadas en una caja en forma de caracol.
3.6 Software: Es un programa que se encarga de realizar una tarea específica,
por lo tanto es un equipo o soporte lógico de un sistema informático.
3.7 Automatismo: Es la rama encargada de automatizar sistemas de control.
57
3.8 Sistema de Control (Smith-Corripio, 1996 p.18): Son sistemas que se
encargan de mantener la variable de un proceso en un valor preestablecido.
3.9 Caldera Manual de PDVSA, 2013): Es un equipo encargado de producir
calor para transformar el agua en vapor.
3.10 Automatización: Tecnología que está relacionada con el empleo de
sistemas mecánicos, eléctricos, basados en sistemas de control distribuidos con
una programación para realizar tareas.
3.11 Simulación: Es una técnica donde se modela un funcionamiento a través
de software de aplicación.
3.12 Variable (Smith-Corripio, 1996): Es una magnitud física que se encuentra
presente en un proceso y que sufre una serie de cambios.
3.13 Vapor Manual de PDVSA, 2013): Es el agua en estado gaseoso y se
utiliza en muchos procesos.
3.14 Medidor de caudal: Según Fink 2003, el flujo es el movimiento del fluido.
El caudal es la variación con el tiempo del flujo de fluido expresado en forma de
volumen del fluido por unidad de tiempo (caudal volumétrico) o bien masa del
fluido por unidad de tiempo (caudal masa). Los transductores empleados en la
medida del flujo de este tipo, miden generalmente el caudal llamándose
caudalímetro. Existen varios métodos y con la ayuda de la instrumentación se
puede medir el caudal, según sea el tipo de caudal volumétrico o másico deseado.
58
3.15 Detector de temperatura resistivo (Texas Instrumentos 2002).
Con sus siglas en inglesas RTD (Resistance Temperature Detector). El
funcionamiento de este sensor se basa, en que cuando se expone a cambios de
temperatura el material en su interior cambia su resistencia eléctrica en una
manera definida. Los RTD’s son principalmente hechos de alambre de platino
envuelto en una base de cerámica, estando cubierto de vidrio o de material
cerámico, además pueden encontrarse como película en un sustrato y pueden
encontrarse con coeficientes de temperaturas positivos y coeficientes de
temperaturas negativos.
3.16 Termocuplas (Texas Instrumentos 2002).
Son el sensor de temperatura utilizado más común utilizado industrialmente.
Estas se hacen con dos alambres de distintos material unidas en un extremo
“soldados generalmente”, al aplicar la temperatura en la unión de los metales que
se genera un voltaje muy pequeño que se encuentra en el orden de los mili voltios,
el cual aumenta con la temperatura (Revista virtual electrónica, 2002).
3.17 PT100 (Arian, 2002).
Es un sensor de temperatura utilizado con alambre de platino el cual tiene como
características de trabajo que a 0°C tiene 100 ohmios y que al aumentar la
temperatura aumenta su resistencia eléctrica. Un PT100 es un tipo particular de
RTD.
59
Por otra parte los PT100 siendo levemente más costosos y mecánicamente no
tan rígidos como las termocuplas, las superan especialmente en aplicaciones de
bajas temperaturas, que están entre unos 100°C a 200°C
3.18 Off- Set
Según Creus (1997), es la desviación permanente que existe en régimen
estacionario por el control proporcional, cuando la variable controlada no alcanza
el punto de consigna, después de haberse producido una perturbación.
4 Sistemas de Variables
Todas las preposiciones teóricas expuestas en la presente investigación
están relacionadas con la automatización del sistema de inyección de vapor para
calderas acuotubulares, la cual se denomina como variable de investigación, y la
misma se define a continuación:
4.1 Definición conceptual
Florencio (2007), define la automatización como la situación de la acción
humana por mecanismos, independientes o no entre sí, movidos por una fuerza de
energía exterior, capaces de realizar ciclos completos de operaciones que se
pueden repetir indefinidamente, en conclusión, la automatización es un sistema
donde se transfieren tareas de producción, realizada habitualmente por
operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos.
60
4.2 Definición Operacional
Según Rincón R. (2012), Es una de las técnicas más usadas en la rama de
control de procesos industriales, y se basa en unir la electrónica aplicada al proceso
por medio de la informática y las comunicaciones, que son las que hacen todo el
enlace entre el módulo de control con las variables de campo de una manera
efectiva y controlada.
61
5. Operacionalización de las Variables.
Objetivo General Diseñar la automatización para el Sistema de Inyección de Vapor con Calderas
Acuotubulares para gabarras de estimulación de pozos petroleros.
Objetivos Específicos Variable Dimensiones Sub-
Dimensiones Indicadores
1) Determinar las características del funcionamiento en el proceso de inyección de vapor con calderas acuotubulares para gabarras de estimulación de pozos petroleros.
Aut
omat
izac
ión
del
Sis
tem
a de
Inye
cció
n de
Vap
or
con
cald
eras
acu
otub
ular
es.
Calderas Acuotubulares
Generador de
Vapor de la Caldera
Acuotubular
• Presión de entrada y salida de la zona radiante.
• Presión de entrada y salida de la zona convección.
• Temperatura de entrada y salida de la zona radiante.
• Temperatura de entrada y salida de la zona convección.
2) Definir las variables asociadas al proceso de inyección y generación de vapor con
calderas acuotubulares para gabarras de estimulación de pozos petroleros.
Mediciones de las variables en la
Caldera Acuotubular
• Cantidad de agua de entrada a la caldera en GPM.
• Cantidad de gas combustible en PCM.
• Medición de la presión de vapor a la salida de la caldera.
• Temperatura de los gases de escape.
3) Modelar matemáticamente el proceso de inyección de vapor con calderas acuotubulares.
4) Proponer la Automatización del sistema de inyección de vapor con calderas acuotubulares para gabarras de simulación de pozos petroleros.
Modelo
Matemático
• Recolección de datos de entradas y salidas de la caldera.
• Ecuaciones que rigen el comportamiento dinámico.
• Modelos paramétricos y no paramétricos
• Perturbaciones al sistema en estado dinámico.
• Respuesta rápida.
Sistema de Inyección Vapor para Calderas Acuotubulares.
Control de procesos y sistemas de
adquisición de datos por
computadoras.
• Selección de los lazos, señales e instrumentos.
• Estudio de mercadeo y la instrumentación de campo.
• Determinación de los requerimientos para la transmisión de señales.
5) Simular la automatización mediante
un software para comprobar su funcionamiento.
No se operacionaliza
Fuente: Rincón R. (2013)
