OIL REFINERY INSTRUMENT

PROCESS CONTROL

Trabajo de InstrumentaciónRefinería de Petróleo - Planta de Coque

Corrección de inestabilidades en el control denivel de un domo acumulador de vapor

Copyright: Ing. Luis Alfredo Presso

Permitida la libre circulación con fines didácticos y pedagógicos.

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Indice

Prólogo

Objetivo.

Presentación del domo acumulador de vapor y separador decondensado.

Descripción del antiguo lazo de control.

Causas de las dificultades en el control de nivel.- Falso nivel.- Reset Windup.- Falso nivel más reset windup en el acumulador de

vapor.

Modelización del sistema.- Cálculo de valores numéricos para Resistencias y

Capacitancias Equivalentes (R y C).- Consideraciones respecto del signo de R y C .- Análisis mediante el método del lugar de raíces.

Solución propuesta.

Implementación de la solución con un Controlador Programable- Bloque de Entradas- Bloque de Cálculos- Bloque de Compensación dinámica- Bloque de Control

Implementación de la solución- Compensación dinámica en la estabilidad del sistema

Itemizado para la Evaluación de costos.

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Prólogo

A continuación se presenta un trabajo realizado para una Refinería de Petróleo, el cualsolucionó inestabilidades estructurales de un sistema de control de nivel en un domorecuperador de calor del horno de la planta de Coque.

Se puede disponer libremente de este documento y utilizarlo con fines didácticosy pedagógicos sin realizar previa consulta de distribución gratuita.

Si para el lector este documento fuese de utilidad, y si así lo considera pertinente, leagradecería que pudiese ingresar a LINKEDIN a validar mis aptitudes en los rubros de OILREFINERY INSTRUMENT y PROCESS CONTROL, como una forma de corroborar laaprobación de este trabajo.

Muchas gracias.

Saludos cordiales.Ing. Luis A. PressoNeuquén - Patagonia Argentinaluispresso@gmail.com

Objetivo

El objetivo de este trabajo es ofrecer una solución eficaz a un inconveniente deinestabilidad en el control de nivel de condensado en un domo acumulador de vapor. Dichodomo forma parte del circuito de inyección y generación de vapor en alta presión que recorrela Refinería de Petróleo, y cumple con la misión de recuperar una parte del calor de los gasesexhaustos del horno de Coque.

La temperatura de salida de los gases es de aproximadamente 400 °C y las presionesen juego en el sistema mayores a 400 psi, por lo tanto se requiere de un sistema controladopor medio de un lazo seguro y estable.

En las condiciones iniciales, con el lazo de control inestable, el nivel de condensadodel domo oscilaba con amplitudes tales que frecuentemente se alcanzaba la cota de máximonivel, disparando las alarmas. En determinadas circunstancias, bajo supervisión manual, selograba un equilibrio inestable.

A continuación se describe el antiguo lazo de control, se analizan las causas queocasionaban las dificultades para controlar el nivel del domo, se hace una modelización delsistema bajo control, y se explican los fundamentos teórico-prácticos que conducen a lasolución definitiva del inconveniente planteado. Finalmente se implementa una solución pormedio de un Controlador Programable.

Presentación del domo acumulador de vapor y separador de condensado

El acumulador de vapor y separador de condensado (domo D-200) forma parte de uncircuito de agua y vapor, que tiene la función de recuperar una parte del calor de los gases desalida del horno que calienta el producto que ingresa en la planta de coque.

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El proceso comienza cuando ingresa el agua previamente precalentada por unserpentín ubicado en la zona de convección del horno. Si el sistema ya se encuentra enrégimen de trabajo, entonces hay cierto nivel de líquido en el fondo del domo, que portermosifón provocado por un segundo serpentín, genera vapor saturado que ingresa al D-200en un nivel libre de líquido. Luego el vapor saturado impulsado por la presión interna, fluyehacia un tercer serpentín que lo transforma en vapor sobrecalentado, previo haber pasado poruna doble malla, donde quedan las gotas de líquido suspendidas en el vapor.

Algunas de las características destacables del acumulador y del sistema son:

• Generación de 2.500 Kg / hora de vapor a alta presión ( 425 psi).

• Diámetro interior del acumulador Domo : 86,3 cm.

• Alto del acumulador Domo: 360 cm.

• Altura a la base del acumulador respecto del suelo : 16 m.

• Serpentín sobrecalentador:Número de tubos : 2Temperatura de entrada de los gases : 393 °CTemperatura de salida de los gases : 377 °CTemperatura de entrada del vapor saturado: 242 °CTemperatura de salida del vapor sobrecalentado. : 331 °C• Serpentín generador:Número de tubos : 24Temperatura de entrada de los gases : 377 °CTemperatura de salida de los gases : 256 °CTemperatura de entrada del líquido : 242 °CTemperatura de salida del vapor saturado. : 242 °C• Serpentín precalentador o economizador:Número de tubos : 6Temperatura de entrada de los gases : 256 °CTemperatura de salida de los gases : 220 °CTemperatura de entrada del líquido : 120 °CTemperatura de salida del líquido. : 242 °C

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Descripción del antiguo lazo de control

El esquema que presentaba inconvenientes en el control de nivel del Domo (D-200), es como indica la siguiente figura :

Su funcionamiento puede resumirse :

El controlador de presión (PIC) abre la válvula automática cuando la presióninterna del acumulador supera un set, y descarga el vapor generado sobre el anillo de altapresión.

La salida del control de nivel (LIC) actúa como set point remoto del control decaudal (FIC) de agua, que acciona la válvula automática de entrada.

Cuando el nivel de agua es bajo, la salida del LIC aumenta el set del FIC, queincrementa el caudal de entrada. A la inversa si el nivel es alto.

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Causas de las dificultades en el control de nivel

Antes que el acumulador fuera sacado de servicio, se había encontrado un punto defuncionamiento aparentemente estable, restringiendo el ingreso del agua de alimentación,mediante el cierre parcial de una válvula manual de bloqueo ubicada antes que la válvulaautomática de entrada. De esta manera se permitía ingresar un caudal tal que por esta últimaabierta al 100%, pasase solo el agua que inmediatamente después de ingresada se convertía envapor saturado, manteniendo el nivel en valores bajos pero aproximadamente constantes.

Esta forma de funcionamiento presentaba el inconveniente de recortar el rango de acciónde la válvula automática, imposibilitándola de actuar cuando por un aumento en las llamas de losquemadores se vaporizaba una mayor cantidad de agua, bajando el nivel hasta condicionescríticas. Cuando las llamas de los quemadores disminuían, se vaporizaba menos, aumentando elnivel hasta que comenzaba a oscilar debido a las falencias del lazo de control.

Se llega a la conclusión de que la inestabilidad del nivel se debe principalmente a dosfenómenos combinados: " falso nivel" y "reset windup", que se explican a continuación.

Falso nivel:

Consideremos la situación en que, a causa del incremento de presión en el interior delacumulador y por la apertura de la válvula automática correspondiente, aumenta la salida de vaporal anillo. Como el tamaño del D-200 relativo a la presión que genera es pequeño, la descarga deldelta-P de vapor se realiza en forma brusca, con la consecuente caída de presión. Una ciertacantidad de agua se convierte rápidamente en burbujas de vapor, las cuales incrementan el nivelaparente. Con la caída de presión también se produce una expansión en el volumen de lasburbujas existentes, incrementando aún más el falso nivel.

Reset Windup:

Este fenómeno ocurre con frecuencia en sistemas donde la variable medida tiene un ciertoretardo y la acción de control contiene un término integral.

Cuando la señal error = set point - variable medida, es importante en magnitud,probablemente se sature el elemento final de control. Como consecuencia de trabajar en régimenalineal, el error no será corregido inmediatamente sino que permanecerá con valores altos. Laacción de control aumentará con la integral del error en el tiempo.

Una vez que el sistema retorna a la zona lineal y que la señal error cruza por cero, esposible que el término integral necesite de un error de signo opuesto para anularse, y haga que lasalida genere un sobrepico.

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Falso nivel + Reset Windup en el D-200

Supongamos que el nivel está estable y que la presión del acumulador superó el set delPIC. Cuando se abre la válvula de presión y se despresuriza el D-200, las burbujas de vaporgeneran un falso nivel ( región AB de la figura 2-a). El LIC setea un menor caudal sobre el FIC querestringe la entrada de agua (acción que contribuirá a bajar aún más el nivel real, cuando sesupere el transitorio).

Cuando el nivel alcanza su valor real, la señal error se incrementa repentinamente haciendo queel lazo pida el máximo caudal a la entrada. EI control se va de la zona lineal y la válvula se satura(región BC, fig.2-a).EI nivel del D-200 comenzará a incrementarse lentamente, hasta el límite en que elcaudal requerido puede ser regulado por la válvula que comanda el FIC. En este momento el error sereduce rápidamente hasta que cruza por cero (región CD, fig.2-a).

Durante el tiempo que el sistema trabajó en zona alineal, el término de la acción de control queintegra el error en el tiempo, acumuló un valor de área bastante mayor al que habría acumulado con elsistema trabajando en zona lineal, como consecuencia de que el error tiene valores muy altos, y no sepuede hacer nada para reducirlo más rápido (región BC, fig.2-c).

(Hubiera sido deseable que la acción integral no actuara mientras la válvula está saturada, yaque la acción proporcional pura bastaría para tender a corregir el error, pero con esta configuración esono es posible).

Analizando la situación en el punto D : El nivel es igual al set point, por lo tanto el error vale cero Si el error es cero entonces la acción proporcional del control deja de actuar. La acción integral del control, está pidiendo que el nivel suba tanto como para generar

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un error de signo contrario, que cancele las áreas bajo la curva del error.En la región DE se produce el sobrepico de nivel (fig.2-a), que produce el área bajo la curva del

error (fig 2-b), necesaria para llevar la acción integral a cero (fig. 2-c).Concluimos que el fenómeno de falso nivel sumado al reset windup, son factores de

inestabilidad que no podrán ser eliminados por completo en un esquema de control como elimplementado, y con las condiciones de trabajo que se le exigen al D-200.

Modelización del sistema

Para analizar el fenómeno del falso nivel y discernir sobre su responsabilidad en la inestabilidaddel sistema, plantearemos un modelo basado en una analogía con un sistema eléctrico.

Usaremos una analogía de impedancias, donde :• Caudal es análogo a corriente eléctrica.• Presión es análogo a tensión.

En el estudio de este problema nuestra atención se concentrará en la interfase del líquido .

Por un lado observaremos el caudal sobre la interfase de agua y vapor. Por otra parte será denuestro interés la altura en el nivel de la interfase medida a través de un elemento sensor de presióndiferencial (D / P cell), que entrega una magnitud (presión neumática o corriente) proporcional a ladiferencia de presión entre los puntos donde se toman los sensores del D / P cell. De esta maneratenemos una magnitud proporcional a la altura del nivel de la interfase, pues consideramos que el pesoespecífico del agua es constante.

Es decir:

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Teniendo en cuenta que, el falso nivel solo ocurre transitoriamente cuando se despresuriza elinterior de acumulador, realizaremos un análisis basado en los diferenciales de caudal y diferencialesde presión.

Partimos de la base en que el diferencial de caudal es análogo a diferencial de corrienteeléctrica, y que diferencial de presión es análogo a diferencial de tensión. Demostramos la validez delmodelo comparando las unidades de potencia:

Como la magnitud a controlar es la altura del nivel de líquido y está relacionada directamentecon la presión a través de Roe ( p ), en lugar de usar diferenciales de presión usaremos diferencialesde altura.

Luego incorporando a la ecuación de potencia del sistema la constante Roe y el Dif. de Alturatenemos :

Como nuestro modelo no intenta llegar al detalle de valores numéricos precisos, sino quepretende mostrar cualitativamente el comportamiento dinámico del sistema cuando ocurre el falso nivel,plantearemos un modelo en el que:

el producto del flujo a través de un elemento del circuito multiplicado por la caída que éstegenera, es igual a la potencia real dividido Roe ( p ):

[ Dif. de Caudal ] x [ Dif. de Altura ] = [ Watt ] / [ p ]

Tomaremos el diferencial de caudal ( q ) sobre la interfase como el caudal de agua que ingresa( qi ) menos el que se convierte en vapor ( qo ). El diferencial de altura ( h ) será la variación de estaúltima ocasionada por el incremento o decremento del caudal en la interfase.

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El modelo eléctrico análogo para el estado transitorio es :

Encontraremos la ecuación de transferencia de nuestro interés. Suponiendo el valor de R y Cconstantes en el instante en que realizamos el análisis, la función buscada relaciona la variable acontrolar ( h ) con la única variable que podemos gobernar a voluntad ( qi ).

Del circuito surge inmediatamente la función G(s) que será objeto de nuestro estudio :

Como el control que se ejerce sobre el nivel es del tipo proporcional integral ( Pl ), el diagramaen bloques del lazo completo es el siguiente :

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Haciendo álgebra de bloques, dejamos el diagrama listo para un posterior análisis por el método dellugar de raíces :

Cálculo de valores numéricos para R y C:

Plantearemos la resistencia y el capacitor equivalentes recordando que en nuestro modelopropusimos que el flujo a través de un elemento del circuito sea q, y que la caída sobre dichoelemento sea h :

De acuerdo a los datos de diseño del acumulador, sabemos que genera 2.500 Kg / horade vapor a alta presión ( 425 psi ), y que su diámetro interno es 86,3 cm. En base a estos valores,encontraremos algún valor numérico para R y C que nos permita un posterior análisis aproximadoen un diagrama de lugar de raíces.

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Suponemos ahora que no hay una gran variación en el peso específico del agua, pues elfactor de corrección por expansión térmica es aproximadamente la unidad. Por lo tanto podemosafirmar sin mucho error que ingresan al acumulador unos 2, 5 m3 de agua por hora, en lugar de2.500 kg / h.

Teniendo en cuenta que el falso nivel puede durar varios segundos, una buenaaproximación al diferencial de caudal ( q ) será considerar el caudal medio por segundo :

Ahora calculamos el diferencial de altura que produce sobre el nivel el ingreso de q :

volumen = h x Área = q x 1 seg

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Notas :El valor numérico de R es en realidad el valor medio de todos los posibles valores que puede

tomar. Es una estimación que nos permitirá tener una idea de la ubicación de los polos del sistema

El valor del capacitor C coincide con el del área transversal del acumulador, o sea que depende de lageometría del mismo.

Consideraciones respecto del signo R y C:

Haremos algunas consideraciones respecto de los signos de R y C :

El capacitor C es igual a el área transversal del acumulador y por lo tanto permanece constanteen valor y signo durante todas las instancias de nuestro análisis, C = 0,58 m 2 .

Respecto del signo de R podemos distinguir dos casos :• Sin falso nivel.• Con falso nivel.

En la figura vemos como de acuerdo a la convención tomada, si el caudal de agua entrante a lainterfase ( q ¡ ) es mayor que el caudal que se evapora ( q 0 ) entonces q definido como q ¡ menos q 0

es positivo.

Finalmente obtenemos los valores para R y C :

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En condiciones normales un q que ingresa al acumulador produce un elevamiento del nivelh) de la superficie, que consideraremos positivo por ser el efecto de un q positivo. Luego de

acuerdo a la definición :

De la misma manera, si el caudal que ingresa a la interfase ( q ¡ ) es menor que el que seevapora ( q 0 ) , entonces el q es menor que cero y como consecuencia de haber disminuido el nivel,el h es negativo.

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En la figura vemos como debido a la despresurizaron del interior del acumulador se produceel burbujeo del líquido, al mismo tiempo que se va en forma de vapor una cantidad q 0. Esta cantidadde agua que se vaporiza , es posible que sea mayor que la cantidad que ingresa ( q ¡ ), pues ni biense detecta un aumento de nivel en la superficie, por acción del controlador se restringe el ingreso deagua, de acuerdo a como el error pasado a través del proporcional integral lo pida.

Por lo tanto como consecuencia del falso nivel hay un incremento importante en la altura de lainterfase ( h > 0), mientras que el agua que se evapora ( q 0 ) es mayor que la que ingresa ( q ¡ ) yentonces el q < 0 . Luego por la definición de R tenemos:

Análisis mediante el método del lugar de raíces

Estudiaremos al sistema de acuerdo a su estado :• Sin falso nivel.• Con Falso nivel.

Sin falso nivel :

Considerando los valores ya calculados para R y C , y suponiendo que el tiempo integral Ti= 10 seg, el diagrama en bloques del lazo es el siguiente :

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Utilizando el programa de control CC , encontramos que para una ubicación segura de lospolos de lazo cerrado la ganancia Kp es igual a 1,3 10 - 1 . Esta ganancia se encuentraempíricamente cuando se ajusta el controlador Pl, asignándole un valor fijo a la bandaproporcional Bp. En la figura se ve la ubicación de los polos de lazo cerrado ( en la posición delcursor ). Se puede observar que no hay problemas de inestabilidad pues los polos están en elsemiplano izquierdo.

Con falso nivel:

Ahora consideramos la situación en que el valor de R es negativo, C permanece constantey el tiempo integral Ti = 10 seg.

Como la ganancia Bp del controlador en el momento que ocurre el falso nivel sigue siendola misma, entonces en el gráfico que nos muestra el programa CC, ubicaremos el cursor en ellugar que resulte de hacer la ganancia Kp = 1,3 10-1 :

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Finalmente vemos que los polos de lazo cerrado están en el semiplano derecho ypor lo tanto el sistema en su conjunto ( planta más controlador) es inestable.

Propuesta

La raíz de los problemas en el control de nivel del acumulador, es que la variable sensada noposee información completa del proceso.

Midiendo solamente nivel nunca podremos discriminar entre un verdadero nivel ocasionado porla entrada de agua, y uno falso provocado por burbujas de vapor, debidas a una despresurización.

Una buena manera de anticiparse a lo que va a ocurrir, será sensar el caudal másico de vaporque se va, e inmediatamente introducir la misma cantidad en Kg. de agua, manteniendo constante elbalance de masas, y como consecuencia el nivel.

Como es más sencillo medir caudales con una placa orificio, proponemos realizar un balancede caudales (vapor de salida vs. agua de entrada) en lugar de un balance de masas; y de manerasecundaria, reajustar las variaciones de nivel que no compense el balance.

En la figura de la página siguiente está esquematizado el control de nivel propuesto. Comopuede observarse, hay un reemplazo de instrumentación neumática por electrónica.

Se efectúan los siguientes cambios : Reemplazo de los controladores FIC y LIC de acción neumática por uno de acción

electrónica (761CNA FOX ). Reemplazo de dos transmisores de presión diferencial neumáticos por dos de 4 - 20 ma.

( D/P cell 823 u 863 FOX ). Se agrega : Placa orificio a la salida de vapor. Transmisor de presión diferencial ( D/P cell 823 u 863 FOX ).

Trasductor de 4 -20 ma. a presión 3-15 psi. ( E69F FOX).Se utiliza de lo existente :Dos entradas libres del registrador YEW, para nivel y caudal de agua.

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Queda en funcionamiento: El controlador neumático de presión PIC. El transmisor neumático de presión.

En la parte inferior de la figura anterior, vemos las entradas y salidas del 761CNA:

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• 11 es la señal electrónica que lleva información del caudal al cuadrado de vapor a la salida.• 12 es la señal electrónica que lleva información del caudal al cuadrado de agua a la entrada.• 13 es proporcional al nivel.• Q1 es la acción de control en 4 - 2 0 ma. que comanda la válvula automática de entrada.• Q2 salida que corresponde al nivel, que en el 761 CNA va de 0 - 10v, con conexión directa alregistrador YEW.• Q3 es la salida que corresponde a caudal de entrada, ídem anterior.

El lazo de control que se propone, funciona de la siguiente manera:

Dentro del controlador es simple realizar la linealización de los caudales, por medio de unaoperación matemática, que se esquematiza con los bloques de extracción de raíz cuadrada. A la salidade ellos la señal es linealmente proporcional al caudal que representan.

Si el caudal de vapor es mayor que el caudal de agua, entonces la salida del primer bloquesumador tiene un valor distinto de cero y positivo, que contribuye a aumentar el SET, sumándose alBIAS o "polarización" prefijada del nivel. De esta manera la válvula de entrada deja pasar un caudal talque equilibre el vapor que salió, ingresando agua a menor temperatura, que en parte disminuye elfenómeno del falso nivel.

Si el caudal de vapor que sale es menor al del agua que entra, entonces la salida del primersumador hace un aporte negativo sobre el BIAS, reduciendo el SET . En consecuencia la válvula deentrada restringe el paso de agua para lograr el equilibrio de caudales. Es importante destacar quecuando se ajusten los parámetros del controlador, se deberá tener en cuenta que la relación entrecaudal de agua y de vapor es (para los DP/cells en 100 in.H20):

Por último si los caudales son similares, el SET queda impuesto por el BIAS, y cualquierdesviación significativa del nivel que no se deba a un desequilibrio de caudales, será corregida por laacción proporcional-integral, que actuará sobre el error del nivel sensado respecto del SET.

Implementación de la solución con el controlador 761 CNA FOX

El controlador electrónico 761 CNA - Fabricado por FOXBORO - CONTROLLER MICROSINGLE STATION está organizado en ocho bloques funcionales y configurables por un menú desoftware, como muestran las copias que se encuentran en la páginas siguientes. Cada uno de estosbloques, con sus correspondientes entradas y salidas pueden tratarse como módulosindependientes. En el esquema de la página siguiente se observan dos tipos de conexiones en cadabloque:

•Las representadas con un círculo son conexiones de entrada o salida con el exterior.•Las representadas con un cuadrado son conexionables entre sí mediante software durante

el proceso de configuración del controlador.Concentrando nuestra atención sólo en los bloques que intervienen en la configuración de

nuestra estrategia de control, podemos esquematizar sus interconexiones de la siguiente manera :

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Bloque de Entradas

Al bloque de entradas llegan tres conexiones del exterior, una es la señal I1 en 4 - 20 ma.,proporcional a la diferencia de presión que hay entre ambos lados de la placa orificio que sensa elcaudal de vapor a la salida. Otra de iguales características que mide el caudal de entrada de agua(I2). La tercera entrada del exterior es proporcional a la diferencia de presión que genera la altura delnivel de líquido entre las tomas del DP/cell (I3).

En este bloque realizamos el acondicionamiento de las señales como está indicado en lasiguiente figura :

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A manera de ejemplo demostraremos como se puede configurar con el menú de software elacondicionamiento de la señal I1 , de forma tal que a la salida del bloque Entradas, la conexión A seaigual a la raíz cuadrada de I1 multiplicada por el factor 2,01 que relaciona los caudales másicos devapor y agua.

Con el controlador encendido pulsamos la tecla TAG del panel frontal. De esta manera pasamosdel modo de operación Normal al modo READ y SET. Observando las copias correspondientes, y comoen este ejemplo deseamos configurar la conexión A , debemos elegir el modo SET. Esto lo realizamosposicionándonos con el cursor de movimientos verticales ( ) en la opción SET y luego pulsandoACK. Luego pasando por la opción SECURE y eligiendo de un menú local 3 caracterespredeterminados del PASSCODE, podemos seleccionar el modo CONFIG. Una vez dentro de estaúltima opción y sabiendo que la conexión A tiene correspondencia única con la entrada I1 , elegimosINPUTS para luego entrar en A donde se nos ofrece un menú con 5 opciones:

1. FILTER : Filtro Butterworth ajustable entre 0 y 10 minutos. En nuestrocaso no queremos filtrar I1 y por lo tanto lo dejamos en 0 minutos.

Luego en base a la ecuación

A = [( FORMATed I1 + INBIAS ) x GAIN] + OUTBIAS tenemos lasrestantes cuatro opciones :

2. OUTBIAS : es una constante cuyo valor lo seteamos a cero.

3. GAIN : constante que en nuestro caso relaciona el caudal de agua con el de vapor yvale 2,01.

4. INBIAS : constante de valor cero en este ejemplo.

5. FORMAT : Esta opción nos permite aplicarle a I1 la raíz cuadrada, eligiendo delmenú la opción SQROOT

Finalmente con estos valores logramos la conexión A queda acondicionada de la siguientemanera :

A = [( SQROOT I1 + 0 ) x 2,01] + 0

Análogamente obtenemos las conexiones B y C.

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Bloque de Cálculos

En el bloque de cálculos realizamos la resta de caudales ya acondicionados:

La programación de esta operación matemática se realiza de análogamente al caso delbloque de entradas, mirando las copias del manual del controlador que se encuentran en laspáginas anteriores.

Bloque de Compensación dinámica

Antes de pasar al detalle de la programación de este bloque para nuestro esquema decontrol, explicaremos brevemente el tratamiento que podemos dar a una señal en este bloque.

El resultado de CALC 3 puede ser pasado a través de un compensador dinámico compuestopor las funciones que en el menú de software figuran como DEADTIME y LEADLAG. La primera essimplemente el agregado de un tiempo muerto a la señal que ingresa como entrada al bloque. Lasegunda nos permite aumentar el efecto de un cambio inicial mediante el factor de ganancia GAIN, yal mismo tiempo este efecto de aumento, ve retrasada su desaparición conforme a una constante detiempo, que en el menú figura como TIME.

En la copia del manual del controlador 761 de la página siguiente se esquematiza lafunción LEADLAG del bloque de compensación dinámica :

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En nuestra estrategia de control la resta de caudales ( A - B ) lleva la siguiente información :

• ( A - B ) aproximadamente cero : significa que el balance de caudales es el correcto y por lotanto no está ocurriendo el fenómeno del falso nivel.

• ( A - B ) < 0 : indica que el caudal de vapor saliente es menor que el entrante, lo cual sugiereque no hay falso nivel.

• ( A - B ) > 0 : en este caso el caudal de vapor que se va es sensiblemente mayor al caudal deagua que ingresa, y como una fuga de vapor implica despresurizacion del interior del D-200, entoncesse produce el falso nivel. Este es el caso que nos interesa detectar para tomar la acción correctivacorrespondiente . Dicha corrección consiste en que una vez que fue detectada la causa que produce elfalso nivel ( A positivo en A - B ), se intercale en el SET POINT la función (A - B) x ( DYNC ), de estamanera se demanda al controlador un ingreso extra de agua que equipara el balance de caudales.

En la configuración correspondiente a la operación( A - B ) x (DYNC) no setearemos el DEADTIME, tampocopondremos el BIAS que nos ofrece el menú de softwareen esta instancia de la programación. La opción TIME lapondremos inicialmente en el orden de los 20 segundos(duración estimada del falso nivel), y el factor de gananciaGAIN será en una primera prueba mayor que la unidad,para que con este exceso inicial, se recupere el agua quesalió como vapor antes que la válvula de ingreso de aguacomience el movimiento de apertura. Finalmente a laopción IMPULSE la setearemos en POSITIVE, puesqueremos que la compensación dinámica sólo actúeen presencia del falso nivel, o sea cuando exista un Apositivo en A - B.

Esquematizando el bloque de compensación dinámicatenemos :

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Bloque de Control

El bloque de control tiene como entradas conexionables por software a la señal C(representativa del nivel), y la señal ( A - B ) x ( DYNC ) que debemos superponer al SET pointcuando ocurra el falso nivel.

La configuración de este bloque por el menú de software se realiza una vez pasada lasecuencia : PASSCODE CONFIG CTRL PRIMARY . Hecho esto y ubicados en la jerarquíaPRIMARY entraremos en seis de los submenúes que se nos ofrecen para realizar los siguientespasos:

1. En SET PT pasando a través de TYPE indicamos que el set puede ser local o remotocon R/L, y que la fuente del mismo será el resultado de la compensación dinámica que llega a travésde SOURCE CALC3, con un 50% de INBIAS. Dentro de la jerarquía SET PT indicamos que la señaldel set debe tomarse tal cual viene seleccionando FORMAT LINEAR.

2. Para indicar la fuente de la señal con la que realimentamos el controlador debemosrecorrer confirmando con ACK la secuencia MEAS SOURCE C . De la misma manera para indicarque la realimentación es lineal con C transitamos la secuencia MEAS FORMAT LINEAR .

3. Para que el control pueda ser pasado de automático a manual a voluntad del operadordebemos asegurarnos de que confirmemos con ACK la opción NONE del nivel A/M.

4. Cuando el set crece también lo debe hacer la acción de control, y esto se logra conACTION INC/INC.

5. El tipo de control proporcional integral lo indicamos recorriendo TYPE Pl . Observandolas copias del manual vemos que la banda proporcional y el tiempo integral pueden ser seteados porel menú SET OPTUNE ALLTUNE MODES P; que no requieren atravesar el password delPASSCODE y están al alcance de los instrumentistas.

6. Por último y de acuerdo al tipo de válvula que actúe como elemento final de control,seleccionaremos alguna opción del menú luego de atravesar OUTPUT FORMAT.

( A - B )

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Modelización de la solución

La acción de control que se ejerce sobre la planta depende de las características de la señalerror y de los valores asignados a la banda proporcional y al tiempo integral del Pl. Pero el éxito delsistema de control depende casi exclusivamente de la capacidad que tiene la señal error ( e ) decontrarrestar eficazmente el fenómeno del falso nivel.

Observando el bloque de control resulta :

e = | ( A - B ) x ( DYNC ) + INBIAS | - C

Para mostrar como actúa el error graficamos :

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En la figura anterior observamos que cuando existe falso nivel, el término del error ( A - B ) x(DYNC) es el que debe prevalecer frente a C, para que se logre un error tal que solicite al controladorun incremento en el ingreso de agua. Una vez que ésta comienza a entrar, se produce un efecto de"planchado" en las burbujas, pues baja la temperatura del líquido que se está evaporando, y enconsecuencia también lo hace el vapor que se genera. Esto último está representado en el gráficocomo una caída exponencial del falso nivel, y sería deseable que este decaimiento tenga la mismaconstante de tiempo que la extinción de la compensación dinámica.

Cuando no existe falso nivel la compensación dinámica no actúa y en consecuencia el error essimplemente el set impuesto por INBIAS menos la medición del nivel C.

Análisis del efecto de la compensación dinámica en la estabilidaddel sistema

Cuando la compensación dinámica detecta que el caudal de agua que se va como vapor esmayor que el caudal que ingresa, entonces inmediatamente hace su aporte sobre la señal error paraque ordene el ingreso de agua. Entonces la acción de control ( salida del Pl ) ataca al elemento final decontrol que es el conjunto válvula más posicionador. Hasta que el posicionador inyecta sobre el motorde la válvula la presión de aire suficiente como para responder a la orden recibida, y que el obturadorde esta última vence el roce y se desplaza a su nueva posición, pueden transcurrir unos pocossegundos que consideraremos como un tiempo muerto.

Desde el comienzo hasta la extinción del tiempo muerto el polo de la planta D-200 se trasladadel semiplano izquierdo al derecho. Luego comienza el ingreso de agua y retorna a la zona donde elsistema vuelve a ser estable, como está indicado en la siguiente figura:

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La trayectoria del polo ( S + 1/ RC ) puede explicarse como sigue :

En el punto 1 como consecuencia de la apertura de la válvula de salida de vapor, seproduce la despresurización del interior del acumulador. En ese instante se generan burbujas devapor que comienzan a elevar el nivel ( h > 0 ). Como en el análisis de este caso suponemos queel sistema parte de ser estable, esto implica que para ser consistentes consideremos inicialmenteel q > 0 , pero con una tendencia decreciente.

En el punto 2 el caudal de vapor de salida iguala al caudal de agua en la entrada, porconsiguiente el polo de la planta coincide con el origen de coordenadas de los ejes :

En el punto 3 el falso nivel está en su máxima expresión pues debido al tiempo muertoaún no ingresó agua, entonces la magnitud del q < 0 es importante . Esto conduce a que el poloesté ubicado en el semiplano derecho :

En el punto 4 finaliza el tiempo muerto y se incrementa el caudal de entrada de agua al D-200, luego el q a pesar de seguir siendo negativo comienza a decrecer.

En el punto 5 ocurre algo similar al punto 2 :

Finalmente en el punto 6 debido a que el q es mayor que cero y que elAh también es positivo debido al ingreso de agua, el sistema vuelve a ser estable. En estemomento dejará de actuar la compensación dinámica, y el controlador regulará el nivel por elmétodo convencional.

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Itemización para la Evaluación de costosítem Cantidad Descripción Precio Unit. Precio Total

1 1 Controlador 761CSA-FOXBORO2 1 Convertidor l/P E69F-TI2-RS

CURRENT TO AIR CONVERTERTRANSDUCER

3 3 Transmisor electrónico823-DP-I3K1NM2-AMDifferential PressureTransmitter

4 3 Manifold de acero al carbonomarca Abac modelo M4

5 xx Metro de caño galvanizado 3/4pulgadas para tendido de cablesdel panel al campo.

6 4 Condulet ( boca de registro)7 xx Metro de cable 1 par para

instrumentos (4-20 ma.)8 3 Montaje de DP/cell (material

más mano de obra).9 1 Instalación de placa orificio a la

salida de vapor (material más manode obra).

10 xx Hora - hombre de trabajo paramontaje de caños en campo,(hasta panel de control).

11 xx Hora - hombre de trabajo paratendido de cables

12 xx Día - cuadrilla 4 hombres (9 hs.)para armado y desarmado deandamios).

13 xx Soportería más gastos depintura.

14 xx Misceláneos

PRECIO TOTAL (sin I.V.A.)

NOTA: se dejan las celdas en blanco para que puedan ser completadas de acuerdo a losactuales precios del mercado.

FIN DEL DOCUMENTO