Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría cujae ujae ujae ujae Facultad de Ingeniería Eléctrica Especialidad Automática Título Mejoras en la automatización del sistema de Mejoras en la automatización del sistema de Mejoras en la automatización del sistema de Mejoras en la automatización del sistema de purificación de fuel oil de los Grupos Electrógenos purificación de fuel oil de los Grupos Electrógenos purificación de fuel oil de los Grupos Electrógenos purificación de fuel oil de los Grupos Electrógenos HYUNDAI de 1.7 MW HYUNDAI de 1.7 MW HYUNDAI de 1.7 MW HYUNDAI de 1.7 MW Tesis para optar por el título académico de Ingeniero en Automática Autores Reidel Díaz Rodríguez Alain Serrano Roque Tutores Héctor J. Garcini Leal Ivón O. Benítez González Ciudad de la Habana, 2008
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Instituto Superior Politécnico
José Antonio Echeverría
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Facultad de Ingeniería Eléctrica
Especialidad Automática
Título
Mejoras en la automatización del sistema de Mejoras en la automatización del sistema de Mejoras en la automatización del sistema de Mejoras en la automatización del sistema de
purificación de fuel oil de los Grupos Electrógenos purificación de fuel oil de los Grupos Electrógenos purificación de fuel oil de los Grupos Electrógenos purificación de fuel oil de los Grupos Electrógenos
HYUNDAI de 1.7 MWHYUNDAI de 1.7 MWHYUNDAI de 1.7 MWHYUNDAI de 1.7 MW
Tesis para optar por el título académico de Ingeniero en Automática
Autores
Reidel Díaz Rodríguez
Alain Serrano Roque
Tutores
Héctor J. Garcini Leal
Ivón O. Benítez González
Ciudad de la Habana, 2008
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La mayor parte de las ideas fundamentales de la ciLa mayor parte de las ideas fundamentales de la ciLa mayor parte de las ideas fundamentales de la ciLa mayor parte de las ideas fundamentales de la ciencia son encia son encia son encia son
esencialmente sencillas y, por regla general, pueden ser esencialmente sencillas y, por regla general, pueden ser esencialmente sencillas y, por regla general, pueden ser esencialmente sencillas y, por regla general, pueden ser
expresadas en un lenguaje comprensible para todos. expresadas en un lenguaje comprensible para todos. expresadas en un lenguaje comprensible para todos. expresadas en un lenguaje comprensible para todos.
Albert Einstein.Albert Einstein.Albert Einstein.Albert Einstein.
iii
DECLARACIÓN DE AUTORIDADDECLARACIÓN DE AUTORIDADDECLARACIÓN DE AUTORIDADDECLARACIÓN DE AUTORIDAD
Por este medio damos a conocer que somos los únicos autores de este Trabajo de
Diploma y autorizamos al Instituto Politécnico José Antonio Echeverría, así como a la
Unión Eléctrica de Cuba, a que hagan del mismo, el uso que estimen pertinente.
____________________
Alain Serrano Roque
____________________
Reidel Díaz Rodríguez
____________________
Tutor Msc. Hector J Garcini Leal
____________________
Tutor Ing. Ivon O. Benítez González
iv
DEDICATORIADEDICATORIADEDICATORIADEDICATORIA
A nuestras familias, en especial a nuestros padres y hermanos.
2. Elaborar un modelo matemático que describa el comportamiento dinámico del
calentador de fuel oil modelo M6-MFG de Alfa Laval que se encuentra instalado en
el sistema de purificación de los grupos electrógenos HYUNDAI de 1.7 MW.
3. Diseñar un regulador que mantenga la variable de temperatura del combustible fuel
oil dentro del rango definido para alcanzar la viscosidad óptima de purificación.
4. Elaborar la propuesta de modificaciones al sistema de purificación de los grupos
electrógenos HYUNDAI para disminuir las fugas de combustible fuel oil que se
producen en las purificadoras Mitsubishi Selfjector Genius series.
5. Búsqueda en Internet de las especificaciones técnicas de la instrumentación
instalada en el sistema de purificación de los grupos electrógenos HYUNDAI.
6. Compilación de los procedimientos para la calibración de la instrumentación
instalada en el sistema de purificación de los grupos electrógenos HYUNDAI de 1.7
MW a partir de diferentes fuentes.
Aporte práctico.
• Traducción al español de las operaciones básicas de las purificadoras Mitsubishi
Selfjector Genius series que aparecen en inglés en el manual de operación y
mantenimiento de los grupos electrógenos HYUNDAI. Además se incluyen los
principios teóricos que explican el funcionamiento de las separadoras centrífugas.
• Una propuesta de modificaciones al sistema de purificación de los grupos
electrógenos HYUNDAI de 1.7 MW, para disminuir las fugas de combustible fuel oil
que se producen en las purificadoras Mitsubishi Selfjector Genius series.
• Elaboración de las instrucciones necesarias para la calibración de la
instrumentación instalada en el sistema de purificación de los grupos electrógenos
HYUNDAI de 1.7 MW a partir de diferentes fuentes.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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Novedad científica
• Identificación de los factores que influyen en las fugas de combustible que se
producen en las purificadoras Mitsubishi Selfjector Genius series.
• Obtención de un modelo matemático que describe satisfactoriamente el
comportamiento dinámico del calentador de fuel oil modelo M6-FG de Alfa Laval
que se encuentra instalado en el sistema de purificación de los grupos electrógenos
HYUNDAI de 1.7 MW.
La presentación de los resultados de este trabajo se organiza en cuatro capítulos de
contenido científico-técnico:
En el primer capítulo se explican los principios y teorías de la sedimentación centrífuga, los
cuales se consideran el fundamento teórico para el funcionamiento de las separadoras
centrífugas, su clasificación y posibles aplicaciones en los procesos industriales.
En el segundo capítulo se exponen las características generales de los diferentes
subsistemas que conforman los grupos electrógenos de fuel oil HYUNDAI de 1.7 MW. Se
describe el sistema de purificación y la estructura de las separadoras centrífugas de discos
de la serie Selfjector Genius del fabricante Samgong-Mitsubishi modelos SJ-30G/GH, las
cuales se encuentran instaladas en la unidad de tratamiento de combustible pesado de
dichos emplazamientos y constituyen el objeto de estudio del presente trabajo de diploma.
También se expone la secuencia de operación automática del sistema de purificación.
En el tercer capítulo, inicialmente se describen los medios técnicos de automatización del
proceso de interés. Luego se obtiene, a través de los métodos no paramétricos de
identificación de sistemas, el modelo matemático que describe el proceso, se realiza el
ajuste y validación del controlador, así como la propuesta de modificaciones a los medios
técnicos de automatización.
En el cuarto capítulo se muestran las especificaciones de los medios técnicos de
automatización del sistema de purificación y los procedimientos para su calibración.
En el quinto capítulo se realiza un análisis del efecto económico y finalmente se exponen
las conclusiones generales del Trabajo de Diploma, las recomendaciones y las referencias
bibliográficas utilizadas para el desarrollo de la misma. Complementan el trabajo un
conjunto de anexos donde se exponen los programas implementados en Matlab que
incluyen los datos de las mediciones realizadas. Todo ello con el objetivo de no hacer
excesivamente detallada y compleja la lectura de los capítulos principales.
Capítulo 1
Basamento teórico del funcionamiento de las
separadoras centrífugas.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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La separación de líquidos y partículas insolubles se ha dado en la naturaleza desde que
se formó el universo. Las separaciones que se llevan a cabo lentamente por gravedad
pueden acelerarse en gran medida con la aplicación de una fuerza centrífuga.
La separación centrífuga ha sido una práctica standard dentro de los procesos industriales
por más de cien años, las primeras aplicaciones fueron en la manufactura del azúcar y en
el procesamiento de alimentos, especialmente en la separación de crema de leche. En la
actualidad es muy utilizada para la obtención de productos farmacéuticos, se usa en la
industria del papel para clasificar partículas sólidas como arcillas, caolín, etc. En la
industria de pinturas se separan pigmentos y en suspensión de polímeros.
Al mismo tiempo ha encontrado aplicaciones en procesos químicos convencionales o
corrientes, como cuando en un reactor son separadas fases por centrifugación para
recuperar productos cristalinos ó catalizadores o para remover cuerpos coloreados e
impurezas. Ha sido usada en una variedad de procesos de extracción por solventes, en la
cual el licor madre, solvente y extracto, pueden ser separados uno de otro. También se
purifican aceites, lubricantes, lodos, etc.
La tendencia en separación sólido-líquido es hacia altos niveles de sólidos en los fluidos
de alimentación, lo que se traduce en la necesidad de grandes productividades con bajo
costo de capital por cantidad de producto final, esto sumado a los nuevos requerimientos
medioambientales, favorecerá, en la mayoría de las aplicaciones, a la separación
centrífuga sobre otras técnicas de separación alternativas tales como la filtración mecánica,
la sedimentación gravitatoria, etc.
1.1 Consideraciones generales de las separadoras centrífugas.
En muchos aparatos industriales la fuerza centrífuga se utiliza en lugar de la fuerza de
gravedad para la separación de fases. Entre ellos, se conoce como centrífugas a los
aparatos mecánicos que producen una fuerza centrífuga por medio de la rotación de una
de sus partes. [Perry, 1998].
1.1.1 Principios y teorías de la sedimentación.
La separación sólido-líquido puede basarse en la retención de las partículas en un medio
filtrante, proceso al cual se le denomina filtración, no siendo necesaria la existencia de una
diferencia de densidades entre el sólido y el líquido. En cambio la separación líquido-
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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líquido y la separación líquido-líquido-sólido sólo puede basarse en la diferencia de
densidades entre los líquidos, y de estos con el posible sólido presente, en este caso
aparece la denominada sedimentación. [García, 2000]. En la Tabla 1.1 se muestran los
diferentes tipos de separación:
Tabla 1-1. Tipos de separación.
Tipo de separación Filtración
(Sólido-Líquido) Sedimentación
(Líquido-Líquido con o sin Sólidos) Clarificación Espesamiento Purificación Concentración
Objetivo: Lograr
un efluente puro
libre de partículas
sólidas.
Objetivo: Obtener
una suspensión con
mayor contenido de
sólidos.
Objetivo: Lograr
la fase ligera
libre de fase
pesada.
Objetivo: Aislar
la fase pesada
de la fase
ligera.
1.1.2 Sedimentación gravitatoria.
En la Fig. 1-1 se presenta un tanque sedimentador gravitatorio (sólo bajo la condición
estática), donde la fase sólida estará constituida por partículas de diferentes diámetros
suspendidas en un líquido, cuyo movimiento estará gobernado por la resultante de tres
fuerzas: Fuerza de arrastre (Fa), Fuerza de empuje (Fe) y el Peso (P).
Fig. 1-1 Esquema representativo de la sedimentación gravitatoria.
Inicialmente las partículas que pudieran haber estado en reposo comenzarán a caer hacia
el fondo del recipiente con una velocidad creciente; simultáneamente la fuerza de arrastre
irá creciendo, hasta que la suma de esta, con la fuerza de empuje, se iguale con el peso,
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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alcanzando una fuerza neta igual a cero, y por ende las partículas dejarán de estar
aceleradas continuando su caída con velocidad uniforme.
Esta velocidad de sedimentación gravitatoria (Vg) se calcula mediante la Ley de Stokes a
través de la Ec. 1.1:
2∆ρ×d
Vg = g18µ
(1.1)
donde:
∆ρ : Diferencia entre la densidad de la partícula y el medio [Kg/m3].
d : Diámetro de la partícula [m].
µ : Viscosidad del medio [Kg/m.seg].
g : Aceleración de la gravedad [9.81 m/seg2]
El tiempo de residencia del líquido en el tanque se obtendrá dividiendo el volumen del
tanque (V) entre el flujo de salida (Q), así:
V A×ht = =
Q Q (1.2)
donde:
A: Área de sedimentación [m2].
h: Altura del tanque [m].
Durante el mismo tiempo, las partículas de diámetro mínimo deberán caer en el fondo del
tanque sedimentador, según la Ec. 1.3:
lim
ht =
V (1.3)
Estableciendo que la velocidad límite de sedimentación (Vlim) estará dada por aquellas
partículas de diámetro mínimo que podrán ser retenidas bajo las condiciones de operación
del sedimentador.
Igualando las ecuaciones 1.2 y 1.3, obtenemos:
lim
A×h h=
Q V
Luego:
limQ = V ×A (1.4)
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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De esta ecuación se puede inferir dos conclusiones importantes:
La altura del tanque no influye en la capacidad clasificadora del sedimentador.
La capacidad es directamente proporcional al área del sedimentador.
Por ende, sobre la base de lo expuesto se puede incrementar el área colocando N placas
horizontales; (ver Fig.1-2) entre las cuales se forman canales separados entre sí por la
distancia h1. [García, 2001].
Fig.1-2 Sedimentador de placas paralelas.
De esta forma la capacidad del sedimentador sería:
limQ = V ×n×A (1.5)
Con esta solución, los canales entre las placas horizontales pueden obstruirse con el
sedimento, lo cual puede preverse si se inclinan dichas placas (Ver Fig. 1-3) de esta
manera el sedimento se desliza por las placas debido a la influencia de la gravedad y se
colectan en el fondo del sedimentador. No obstante, se debe destacar que la separación
entre las placas debe ser siempre mayor que el diámetro de la mayor partícula a separar.
Fig. 1-3 Sedimentador de placas paralelas.
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1.1.3 Sedimentación centrífuga.
Si se hace rotar un recipiente conteniendo una cierta suspensión (Ver Fig. 1-4) se genera
un campo centrífugo cuya aceleración no es constante sino que la misma crece con la
distancia de la partícula al eje de giro (r) y con la velocidad angular (ω), de modo que:
2Ac = w ×r (1.6)
donde:
cA : Aceleración centrífuga [m/seg2].
r: Radio de rotación [m].
w: Velocidad angular [rad/seg].
Fig. 1-4 Sedimentación centrífuga.
Como se conoce w = 2×π×N donde N es el número de revoluciones por minutos [r.p.m].
Por tanto la Ec. 1.6 puede adoptar la siguiente forma:
2 2Ac = 4 ×rNπ× × (1.7)
La velocidad de una partícula en el seno de un fluido y dentro de una centrífuga, puede
estudiarse mediante la Ec. 1.1 debidamente modificada, es decir, sustituyendo la
aceleración de la gravedad por la aceleración generada por el campo centrífugo, se
obtendrá la velocidad de sedimentación en el campo centrífugo (Vc). Despreciando,
además, los efectos de la aceleración lineal de la partícula:
2∆ρ×dVc = Ac
18µ (1.8)
Combinando la Ec. 1.1 y Ec. 1.8 se llega a que:
AcVc = Vg
g (1.9)
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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El número de veces que la aceleración centrífuga supera a la aceleración de gravedad se
denomina factor centrífugo (Z) y constituye una medida del poder de separación de una
centrífuga.
En [García, 2001] y [Torres, 2007], se expresa el factor centrífugo como:
2 2 260Ac 4 ( ) ×r
g g
Nw rZ
g
π× × ×= = =
Para el cálculo aproximado puede utilizarse la Ec. 1.10:
2
900
N rZ
×= (1.10)
La velocidad de sedimentación de las partículas será mucho mayor en una centrífuga que
en un campo gravitacional según muestra la Ec. 1.11:
Vc = Vg×Z (1.11)
Por lo que se puede asegurar que las separaciones que se llevan a cabo lentamente por
gravedad pueden acelerarse en gran medida con el empleo de un equipo centrífugo.
1.1.4 Capacidad de un sedimentador centrífugo.
La capacidad de separación de un separador centrífugo se define como el caudal límite de
alimentación (Q) al que puede operarse dicho separador para garantizar la separación de
todas las partículas de diámetro igual o mayor al diámetro límite seleccionado, y se
determina según:
Q = Vc×A (1.12)
Sustituyendo la Ec. 1.11 en la Ec.1.12 obtenemos:
Q = Vg×Z A×
Al producto del factor centrífugo (Z) por el área de sedimentación del separador (A) se le
conoce como Área equivalente (Ae) o Factor Sigma (S), el cual se define como el área que
sería necesaria en un tanque de sedimentación por gravedad, para tratar el mismo
producto con igual alimentación logrando los mismos resultados que en el separador
centrífugo. Por ende:
Q = Vg×Ae = Vg×S (1.13)
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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1.2 Clasificación de las centrífugas.
1) Centrífuga de Sedimentación:
Esta contiene un cilindro o un cono de pared sólida que gira alrededor de un eje horizontal
o vertical. Debido a que la fuerza centrífuga es bastante grande comparada con la de la
gravedad, la superficie del líquido se encuentra paralela al eje de rotación,
independientemente de la orientación de la unidad. Las fases densas "se hunden" hacia
fuera y las fases menos densas “se levantan” hacia dentro. Las partículas pesadas se
acumulan sobre la pared y deben retirarse continua y periódicamente.
2) Centrífugas de Filtro:
Estas operan como el tambor de rotación de una lavadora doméstica. La pared de la
canasta está perforada y cubierta con un medio filtrante, como una tela o una rejilla fina, el
líquido pasa a través de la pared impulsado por la fuerza centrífuga, dejando una torta de
sólidos sobre el medio filtrante. Algunos sólidos compresibles no se filtran bien en este tipo
de centrífuga, a causa de la deformación que sufren las partículas por la acción de la
fuerza centrífuga, por lo que la permeabilidad de la torta se ve reducida considerablemente.
Dependiendo de sí la centrífuga o su parte giratoria tenga una pared sólida, una pared
perforada o una combinación de ambas, [Perry, 1998] estas se clasifican en:
Centrífugas de tazón tubular.
El tazón rotatorio de una centrífuga tubular consiste en un largo tubo hueco suspendido en
un ensamblaje de amortiguación controlada en el fondo. Estas centrífugas son movidas
por un motor de alta velocidad.
La sedimentación toma lugar cuando un fluido fluye desde un extremo del tubo al otro. La
alimentación entra a presión por el fondo del tazón a través de una boquilla de
alimentación estacionaria. El fluido se acelera a la velocidad del rotor y asciende a lo largo
del recipiente en forma de anillo y se descarga por la parte superior. Los sólidos se
sedimentan contra la pared del tazón y se retiran de forma manual cuando la cantidad
reunida es suficiente para perjudicar la calidad del proceso. La capacidad de retención de
sólidos de este tipo de centrífuga es muy pequeña por lo que la utilidad principal es para
sistemas que contienen 1% o menos de sólidos sedimentables. En muchos casos la
separación no es completa y se debe pasar el material varias veces a la máquina. Las
centrífugas tubulares son usadas mayormente cuando se requieren altos requerimientos
de centrifugación. En general, se utilizan en la purificación de lubricantes usados y otros
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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aceites industriales; en la clarificación y purificación de productos alimenticios tales como:
aceites esenciales, extractos y jugos de fruta; y en las industrias bioquímica y farmacéutica
para la separación de líquidos inmiscibles que no pueden ser separados por gravedad.
Centrífugas de cámaras múltiples.
Este diseño es una modificación de las centrífugas de tazón tubular. El tazón consiste en
una serie de secciones tubulares cortas de diámetro creciente, formando un pasaje tubular
continuo de diámetro creciente por etapas. La alimentación se introduce por el tubo de
diámetro menor y se somete a zonas sucesivas de fuerzas centrífugas cada vez mayor,
debido al aumento del diámetro de los tubos. Las partículas más pesadas se depositan en
el tubo de diámetro inferior y las más pequeñas en la región de diámetro mayor.
Se emplean en un sinnúmero de aplicaciones tales como: la clarificación de jugos de
frutas, extractos y cervezas.
Centrífugas de discos
El rotor de este tipo de centrífuga consiste en una pila de discos delgados en forma de
conos truncados. La finalidad de los discos es primordialmente aumentar el área de
sedimentación. El material a centrifugar es introducido al centro y cerca del fondo del
tazón y se eleva a través del montón de discos. La sedimentación toma lugar en dirección
radial en el espacio entre los conos adyacentes, logrando que los sólidos se depositen en
las paredes del tazón. La centrífugas tipo disco usualmente operan en forma continua.
Estas centrífugas son usadas para la separación de líquidos en los cuales el sólido o los
componentes inmiscibles están en bajas concentraciones, como son: la purificación de
aceites lubricantes y combustibles de los motores, y en la refinación de aceites vegetales.
Centrífugas de tazón sólido.
Esta consta de un tazón cilíndrico y/o cónico de paredes sólidas con un eje de rotación
horizontal o vertical que gira a gran velocidad. La alimentación se introduce mediante un
tubo concéntrico hasta un punto apropiado del tazón, la fase líquida busca el nivel de los
orificios en el radio mayor y descarga continuamente por ellos. Un tornillo sinfín dispuesto
a todo lo largo del tazón, cuya velocidad de rotación es distinta a la de este, permite
extraer de forma continua los sólidos que se sedimentan contra las paredes del tazón por
una salida situada en el lado de menor diámetro del cono.
Centrífugas de tamiz o pantalla.
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Estas centrífugas son una variante de las centrífugas de tazón sólido a las que se le
agrega una sección cilíndrica de tamizado en el extremo menor, el transportador helicoidal
o tronillo sinfín es continuo en las dos secciones. La alimentación se introduce en la
sección sólida cilíndrica y el efluente se descarga en el extremo mayor. La sección de la
malla proporciona tiempo adicional para que se drenen los sólidos bajo la influencia de la
fuerza centrífuga y un ambiente más eficiente para el lavado de las secciones.
En la Tabla 1-2 se resumen los diversos tipos de centrífugas que son utilizadas en las
diferentes industrias, haciendo referencia a su modo de descarga de líquidos y sólidos, la
velocidad del rotor para retirar los sólidos y capacidades máximas [Perry, 1998].
Tabla 1-2. Clasificación de las centrífugas.
Tipo de rotor
Tipo de centrífuga
Método de descarga del
líquido
Modo de descarga de los sólidos
Veloc. del rotor para el retiro de los
sólidos
Capacidad
Por lotes Ultracentrífuga de laboratorio clínico.
Por lotes Por lotes, manual
Cero 1 ml hasta 6 L.
Supercentrífuga Continuo Por lotes, manual
Cero Hasta 1.26 L/s Tubular
De cámaras múltiples
Continuo Por lotes, manual
Cero Hasta 3.15 L/s
De pared sólida Continuo Por lotes, manual
Cero Hasta 31.5 L/s
De fase ligera Continuo Continuo para sólidos de fase ligera
Suficiente Hasta 1.26 L/s
Toberas periféricas
Continuo Continuo Suficiente Hasta 25.2 L/s
Válvulas periféricas
Continuo Intermitente Suficiente Hasta 3.15 L/s
De discos
Anillo periférico Continuo Intermitente Suficiente Hasta 12.6 L/s
Horizontal de veloc. constante
Continuo Cíclico Suficiente Hasta 1.7 m3
Vertical de veloc. variable
Continuo Cíclico Cero o reducida
Hasta 0.45 m3
Decantador continuo
Continuo Cíclico, con tornillo sinfín
Suficiente Hasta 18.9 L/s
Tazón sólido
De tamiz Continuo Continuo Suficiente Hasta 16.8 L/s
1.3 Separadora centrífuga de platos.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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En el epígrafe 1.1.2 se explica que la capacidad de un sedimentador puede incrementarse
si se colocan placas inclinadas de manera que se aumente el área de sedimentación, si
esta idea se aplica a un sedimentador centrífugo, obtenemos un separador centrífugo de
platos.
Este tipo de centrífuga consiste en un rotor o tazón que gira a velocidad moderada en una
carcasa estacionaria. En general, el rotor se construye con un espacio cónico para la
acumulación de fangos y un mecanismo hidráulico de apertura y cierre del rotor que
asegura la descarga completa de fangos y sólidos. El rotor tiene gran capacidad para el
almacenamiento de fangos, lo cual proporciona largos períodos de funcionamiento entre
cada apertura del rotor.
Como vemos en la Fig. 1-5, el rotor contiene numerosos discos metálicos con la forma de
cono truncado, muy próximos entre sí, que giran con la cámara y están situados uno
encima de otro guardando una distancia fija entre ellos, distancia que determina el máximo
diámetro de partículas que pudieran entrar en el separador. Los discos tienen uno o más
juegos de agujeros coincidentes, que forman canales por donde fluye la corriente de
alimentación.
Fig. 1-5 Representación de una centrífuga de discos
Los niveles de líquido en el rotor dependen de muchos factores (geometría del rotor,
densidades del líquido, caudales, etc.). Para imaginarse cómo se distribuyen los líquidos
en el rotor, se debe pensar que el rotor está parado y girado 90° (sólo bajo los efectos de
la gravedad). Con estas condiciones, el rotor puede compararse con un depósito de
sedimentación:
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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Fig. 1-6 Comparación de la sedimentación por gravedad y por centrifugación
El líquido a ser tratado se introduce en el rotor por la tubería de entrada y se desplaza hacia
la periferia a través del distribuidor. Cuando este fluido alcanza las ranuras del distribuidor,
sube a través de los canales que forma el paquete de discos, donde se distribuye de
manera uniforme. Bajo la acción de la fuerza centrífuga, la fase densa se desplaza hacia la
pared de la cámara y circula hacia abajo por la parte inferior de los discos; mientras que la
fase ligera se desplaza hacia el centro y fluye sobre las caras superiores de los discos.
Cuando el aceite limpio sale del paquete de discos, fluye a través de varios orificios del
distribuidor y entra en la cámara de evacuación de aceite. Donde, se extrae mediante la
bomba centrípeta de aceite y sale del rotor a través de la salida de aceite.
Antes de descargar los sólidos separados, todo el aceite limpio que está en el rotor, es
desplazado por el agua de reemplazo y por lo tanto, los sólidos se descargan en la fase de
agua, prácticamente sin pérdida de aceite.
El agua separada, los lodos y las partículas sólidas, que son más pesados que el aceite, se
impulsan hacia la periferia del rotor y se recogen en el tanque de lodos.
En [García, 2001] se explica en detalles el efecto de separación que ocurre en los
espacios entre los discos de un paquete de n platos y las dimensiones geométricas
fundamentales se reflejan en la Fig. 1-7.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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Fig. 1-7 Recorrido de una partícula límite en el canal de separación.
El líquido a procesar entra en el canal por el radio R1 y fluye por el canal hasta salir por el
radio R2. La separación de las partículas tiene lugar en dicho canal.
La velocidad de una partícula en el seno de un fluido y en presencia de un campo
centrífugo, puede estudiarse mediante dos componentes: una perpendicular al eje de giro
debido a la fuerza centrífuga que actúa sobre la partícula, la cual le imprime una velocidad
de sedimentación Vs que la conduce hacia la periferia del rotor; y otra paralela a la
superficie del disco debido a la influencia del flujo del fluido.
Téngase en cuenta que la velocidad del líquido Vc no es uniforme a través de toda la
sección del canal ya que, es tan pequeña a lo largo de la superficie del disco que no afecta
a la partícula.
Estas fuerzas dan como resultado la velocidad Vp, cuya dirección determinará el recorrido
de la partícula hasta ser depositada sobre el disco B-B', luego la partícula se deslizará por
la parte posterior del disco hacia la periferia, subordinada solamente por la fuerza
centrífuga. Por ende aquella partícula que pueda ser depositada sobre el disco B-B' antes
de alcanzar el punto B', será retenida y por tanto separada de la alimentación.
Como se estudió en apuntes anteriores, estas centrífugas se caracterizan por contener en
el rotor un cierto número de platos cónico-truncados superpuestos que aumentan el área
equivalente del separador y por consiguiente la capacidad de separación según la Ec. 1.13.
El Factor Sigma (S) teórico de este tipo de separador se calcula según la siguiente
expresión:
( )2 3 3
1 2
2πS= W ×n×cot
3gr rα × − (1.14)
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
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Esta expresión ha sido obtenida a partir de algunas consideraciones ideales tales como:
que el líquido, el cesto y los discos rotan a la misma velocidad angular (no hay
deslizamiento), que no existen corrientes internas, que la velocidad del líquido en la
superficie es nula, entre otras.
Por estas razones los fabricantes de este tipo de separador desarrollan fórmulas
específicas que corrigen la Ec 1.14.
1.3.1 Interfase y Discos de gravedad.
Cuando dos líquidos no miscibles, conteniendo o no sólidos, se someten a un campo
centrífugo, la fase pesada se coloca en la periferia del rotor (ver Fig. 1-8) y la fase ligera se
ubica cerca del centro, formándose una división más o menos cilíndrica entre ambos
líquidos, conocida como interfase.
Fig. 1-8 Representación de la interfase Líquido -Líquido
La localización de la interfase se fija mediante el uso de discos de gravedad (diafragmas o
anillos separadores) de diámetros diferentes que se colocan en la descarga de la fase
pesada, en este caso en la descarga del “agua separada”, aumentando o disminuyendo el
radio de descarga de dicha fase. Con ello se logra que en el rotor quede retenido más
volumen de una fase líquida u otra.
Si la interfase está desplazada hacia la periferia, la fase ligera ocupará una mayor parte
del contenido del rotor y por ello para un determinado flujo de alimentación el tiempo de
residencia será mayor y la fase líquida ligera será mejor purificada, obteniéndose libre de
fase pesada. Por ejemplo en la eliminación de agua del aceite.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
20
Si por otro lado, se logra localizar la interfase cerca del eje de rotación, la fase líquida
pesada tendrá más oportunidad para despojarse de la fase ligera, logrando una mejor
concentración. Por ejemplo en el descremado de la leche.
Por lo general la alimentación se realiza lo más cerca posible a la interfase. En el caso de
los separadores de discos ésta se realiza a través de los agujeros de distribución o
conductos ascendentes ubicados en los platos o discos.
Para establecer la posición de la interfase se parte de que la presión hidrostática en un
radio R, en un separador se puede expresar como:
( )2
2 2
o
WP= ρ R - R
2g (1.15)
donde:
Ro es el radio del nivel libre interior del líquido.
ρ = densidad de líquido.
En la interfase, la presión que ejerce cada fase líquida es la misma y por tanto:
( ) ( )2 2
2 2 2 2
i L i L p i p
W WP = ρ R - R = ρ R - R
2g 2g
obteniéndose:
( ) ( )2 2 2 2
L i L p i pρ R - R =ρ R - R
donde:
iR = Radio de la interfase
LR = Radio de líquido ligero
pR = Radio del líquido pesado
Lρ = Densidad del líquido ligero
pρ = Densidad del líquido pesado
Por lo tanto la posición de la interfase será:
2 2
iRp p L L
p L
R Rρ ρ
ρ ρ
−=
− (1.16)
Esta relación indica, que la posición de la interfase (Ri) sólo depende de las densidades de
los líquidos y no de su proporción. [García, 2001], [Torres, 2007].
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21
En la práctica, para ejecutar la posición de la interfase se varía la posición de la salida del
líquido pesado (Rp), utilizando los denominados discos de gravedad.
Estos anillos se colocan en la descarga del líquido pesado aumentando o disminuyendo
Rp y como RL por lo general permanece fijo, se influye directamente en la ubicación de la
interfase.
Por lo general se plantea la relación del anillo separador apropiado mediante ensayos de
tanteo y error. Es decir, sometiendo la mezcla a una corrida experimental con un
determinado anillo y en dependencia del resultado y el objetivo cambiar el anillo separador.
Ahora bien, conociendo los parámetros constructivos de la centrífuga a estudiar se crean
gráficas que faciliten la selección del anillo separador más adecuado. Ver el epígrafe 2.7.
1.3.2 Líquido de sello hidráulico.
Como se ha explicado durante la purificación, la interfase debe estar localizada tan cerca
como sea posible de la periferia, pero nunca más allá de Rmax, para evitar pérdidas de
líquido ligero por la descarga de líquido pesado. [García, 2001].
Para garantizar lo anterior, antes de iniciar la alimentación de la suspensión que se va a
procesar, el rotor se debe llenar con líquido sellante el cual forma un anillo cuya cara
interna actuará como sello hidráulico del líquido ligero.
El líquido sellante debe tener las siguientes propiedades:
o Ser insoluble en la fase líquido ligera.
o Ser soluble en el líquido pesado.
o No debe poseer una densidad mayor que el líquido pesado.
o Debe tener mayor densidad que el líquido ligero.
Por lo general el líquido pesado se utiliza como líquido sellante; en caso de que el líquido
a procesar contenga una proporción suficiente de fase líquida pesada (mayor del 25%), no
será necesario emplear líquido sellante ya que el sello hidráulico se formará
automáticamente después de un breve período de iniciada la separación.
1.4 Campo de aplicaciones en procesos industriales.
Los procesos de separación mecánica se encuentran en innumerables aplicaciones de las
industrias para poder ofrecer las mejores respuestas a los distintos desafíos que nos
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22
plantea la industria moderna. [Rojas, 2006]. Entre las industrias donde es aplicable la
tecnología de separación se encuentran:
• Química, farmacia y biotecnología.
• Recuperación de aceites y grasas.
• Industria láctea.
En procesos de aceites minerales:
• Industria Naval.
• Energía.
• Industria petrolera.
1.4.1 Química, farmacia y biotecnología.
Frecuentemente la calidad del producto final está ligada a la eficiencia y calidad de las
etapas de separación en un amplio rango de procesos, tales como:
Separación de microorganismos, en procesos de fermentación como levaduras,
vacunas, aminoácidos y enzimas,
Aislamiento y purificación de proteínas, recuperación de antibióticos,
Fraccionamiento de plasma de sangre humana,
Lavado de productos,
Recuperación de catalizadores,
Purificación de soluciones.
La tecnología de separación centrífuga está presente en los procesos de la biotecnología
industrial permitiendo un procesamiento no perjudicial para el medioambiente:
Concentración de biomasa,
Clarificación de jugos cítricos y otras frutas,
Melazas, jugo de caña de azúcar,
Clarificación de mostos cerveceros, cerveza, vinos y vinos espumosos,
Proteína de soja.
1.4.2 Recuperación de grasas y aceites.
Los procesos de recuperación de aceites y grasas modernos, están caracterizados por un
amplio uso de la clarificación centrífuga y técnicas de separación.
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23
La importancia del cuidado del medioambiente se unió a las tradicionales demandas de la
industria de productividad y eficiencia, objetivos que sólo se obtienen asegurando una
óptima clarificación y purificación a lo largo de todo el proceso.
Para satisfacer tales demandas, se provee a la industria de equipos individuales o líneas
de procesamiento completas para los siguientes procesos:
Aceite de oliva, aceite de pescado, aceite de hígado,
Harina de pescado, harinas de carnes,
Grasas comestibles, sebo, grasa de lana
1.4.3 Industria láctea.
La tecnología de separación centrífuga es un componente central en este campo,
asegurando el óptimo aprovechamiento de la materia prima.
Clarificación y descremado de leche y suero,
Separación de bacterias,
Descremado de leche fría.
1.4.4 En procesos de Aceites Minerales.
El tratamiento de combustibles y lubricantes, así como el procesamiento de fluidos
industriales representa un verdadero desafío para la industria. Los sistemas integrados de
tratamiento resuelven en un solo y compacto equipo la separación de los contaminantes
presentes en hidrocarburos o aceites minerales garantizando la calidad del producto final.
1.4.5 Industria Naval.
Los sistemas de propulsión basados en motores diesel son los más difundidos en la
industria naval, los sistemas de separación garantizan una adecuada calidad de
combustible y lubricante permitiendo así la máxima potencia, eficiencia y confiabilidad del
grupo propulsor, sin dejar de lado las estrictas normas de protección del medioambiente.
Los sistemas de separación automáticos tienen una capacidad operativa por largos
períodos, operan de forma continua bajo las más duras condiciones de servicio; con
mínima supervisión personal y con intervalos de mantenimiento de entre 8 000 a 16 000
horas.
En la industria naval la separación de fases se utiliza en disímiles procesos:
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24
Purificación de gas oil y diesel oil.
Tratamiento de fuel oil.
Purificación de aceite lubricante e hidráulico.
Tratamiento de lodos.
Tratamiento de agua de sentina.
1.4.6 Energía.
Las impurezas presentes en los combustibles tienen importantes y costosas
consecuencias en la operación y mantenimiento de sistemas de generación basados en
turbinas y motores diesel. Con el incremento de la potencia instalada y el alto grado de
sofisticación de los sistemas de generación, el eficaz tratamiento de combustibles y
lubricantes representa una tarea primordial en los sistemas actualmente en servicio.
La remoción de los contaminantes típicos tales como Sodio, Potasio y Vanadio significa un
desafío para los sistemas de separación ya que estos elementos causan corrosión a alta
temperatura y depósitos en los alabes de las turbinas.
La contaminación de aceites lubricantes debe considerarse como un problema a resolver
de fundamental importancia. La presencia de agua, partículas sólidas y rastros de
corrosión pueden incrementar en gran medida los costos de mantenimiento o pueden
llevar en casos extremos a comprometer componentes vitales, provocando paradas
imprevistas de los generadores o turbinas.
Entre los procesos de la industria de generación podemos indicar:
Tratamiento de combustibles para motores diesel y turbinas de gas.
Acondicionamiento y lavado de combustibles de bajo grado.
Tratamiento de lubricantes.
Tratamiento de aguas oleosas residuales.
Tratamiento de lodos.
1.4.7 Industria petrolera.
En la industria petrolera, la separación de fases está presente desde las etapas iniciales
de extracción hasta la posterior refinación. Esta característica y considerando las estrictas
normas actuales de protección al medioambiente favorecen el desarrollo actual y futuro de
sistemas de separación centrífuga.
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25
El tratamiento del fluido de perforación con centrífugas es una tarea vital para mantener un
adecuado equilibrio de costos durante la etapa de perforación, permitiendo incrementar la
velocidad y la vida útil de las herramientas de perforación, bajar los costos de fluido y
disminuir el costo de disposición final e impacto ambiental en el yacimiento.
Debido al incremento y las mayores exigencias de las normas de medio ambiente, el
tratamiento de agua de producción representa una necesidad tanto en plataformas como
en yacimientos.
Entre los procesos podemos señalar:
Tratamiento de lodo de perforación.
Tratamiento de slop oil.
Recuperación de petróleo.
Deshidratación de crudo.
Tratamiento de fondos de tanques.
Acondicionamiento de agua de producción y agua de purga.
Separación de finos en plantas de tratamiento de agua de producción.
Purificación y tratamiento de fuel oil, diesel, gas oil, aceite lubricante e hidráulico.
1.5 Fabricantes
Las separadoras centrífugas son en la actualidad de gran utilización en todos los sectores,
bien sea como máquinas individuales o como máquinas integradas en líneas completas de
procesos, por lo que existe gran variedad de fabricantes de estos equipos.
Entre los principales fabricantes de separadoras centrífugas encontramos a ALFA LAVAL
con una excelente tecnología en la centrifugación del aceite de los motores de los grandes
buques; WESTFALIA SEPARATOR AG cuyas separadoras centrífugas presentan una
gran versatilidad, así como un know-how tecnológico, que les permiten utilizarse para los
más diversos cometidos en la tecnología de procesos; también conocida mundialmente se
encuentra FLOTTWEG la cual presenta una amplia gama de productos dentro de las
centrífugas de discos, variando tanto su tamaño como sus capacidades de purificación.
Además se pueden nombrar a SIEBTECHNIK, KRAUS MAFFEI, HENKEL, SEITAL, CEPA,
PENNWALT y otras.
Capítulo 2
Las purificadoras SAMGONG-MITSUBISHI
SELFJECTOR GENIUS SERIES (SJ-G series).
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27
2.1 Grupos Electrógenos de fuel oil.
El programa de generación eléctrica distribuida que se desarrolla actualmente en la capital
del país contempla, entre otras acciones, la instalación en diferentes puntos de la ciudad
(ver Fig.2-1), de un conjunto de emplazamientos conformados por grupos electrógenos
estructurados en baterías.
Fig. 2-1 Ubicación de los grupos electrógenos en Ciudad de la Habana.
Los grupos electrógenos HYUNDAI de 1.7 MW instalados hasta la fecha en Ciudad de la
Habana, pueden variar en cuanto al número de baterías pero mantienen siempre la misma
estructura tecnológica, ver Fig. 2-2. Las baterías están concebidas para generar en
régimen base (funcionamiento continuo las 24 horas del día), empleando como
combustible el fuel oil. Una batería esta compuesta por:
Cuatro motores para la generación eléctrica (MDU),
Una unidad de tratamiento de combustible (HTU),
Un generador de vapor (caldera),
Un cuarto de control eléctrico (ETU),
Una unidad de aire comprimido (AC).
Además se encuentran otras unidades que son comunes para todo el emplazamiento
entre las que se encuentran: el generador de diesel de emergencia, la estación de bombeo
de combustibles, la planta de tratamiento de agua (WTU), los tanques de almacenamiento
de combustibles, y el cuarto de control remoto (RCMS), donde se encuentra la aplicación
SCADA para la supervisión de los procesos, desarrollada con WinCC versión 6.0.
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28
Fig. 2-2 Esquema del emplazamiento de los grupos electrógenos de fuel oil.
Un grupo electrógeno HYUNDAI de fuel oil consta de los siguientes subsistemas:
• Subsistema de generación de electricidad.
• Subsistema de tratamiento de agua.
• Subsistema de generación de vapor.
• Subsistema de generación de aire.
• Subsistema de preparación de combustible.
2.1.1 Subsistema de generación de electricidad.
El subsistema de generación de electricidad de una batería está formado por cuatro
motores de combustión interna HIMSEN 9H 21-32 de 1.7 MW y el cuarto de control
eléctrico. Los motores convierten la energía química, producto de la combustión del
material primario, en energía mecánica de rotación; la cual a través del generador eléctrico
es convertida en energía eléctrica, luego por medio de los transformadores dicha energía
eléctrica es transferida al SEN pues estos transformadores posibilitan la sincronización de
los generadores a las líneas de distribución.
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2.1.2 Subsistema de tratamiento de agua.
En los grupos electrógenos existe una planta de tratamiento de agua, donde se desarrolla
un proceso de ósmosis inversa, esencialmente secuencial que consta de varias etapas y
cuyo objetivo final es obtener un volumen de agua con la calidad requerida. El agua que
ha sido tratada se deposita en los tanques de almacenamiento y se bombea hacia las
diferentes unidades que utilizan esta agua, por ejemplo: la unidad de tratamiento de
combustibles, la caldera y el motor de combustión interna.
2.1.3 Subsistema de generación de vapor.
El subsistema de generación de vapor en una batería consta de una caldera y un tanque
de almacenamiento de agua para la alimentación del domo de la misma. El vapor
generado se envía hacia la línea principal de vapor, donde se distribuye a los tanques de
almacenamiento de combustible y a los HTU, con el objetivo de elevar la temperatura del
fuel oil hasta alcanzar los requerimientos para su bombeo y posterior tratamiento.
Inicialmente, en el arranque de los motores de combustión interna se utiliza el diesel como
combustible, debido a que el fuel oil no tiene la temperatura requerida para su combustión.
Los gases de escape de los motores se utilizan en la caldera para producir el vapor
necesario para calentar el fuel oil y lograr la viscosidad de trabajo; luego se realiza el
cambio de combustible y se comienza a trabajar con el fuel oil, el cual constituye un
combustible mucho más barato que el diesel.
2.1.4 Subsistema de generación de aire.
Este subsistema está compuesto por dos compresores de aire que acompañan a cada una
de las baterías, uno de ellos suministra la presión de aire de alta (3.0 MPa) para el
arranque de los motores y el otro la presión de aire de baja (0.9 MPa) que dota a la batería
de una línea de presión industrial para operar las válvulas neumáticas.
2.1.5 Subsistema de preparación de combustible.
Este subsistema está compuesto por la unidad de tratamiento de combustible (HTU) de
cada una de las baterías del emplazamiento, la estación de bombeo y los tanques de
almacenamiento de los combustibles. El fuel oil se bombea desde dichos tanques hacia el
tanque de settling (sedimentación) que se encuentra en el HTU, luego se purifica en las
separadoras centrífugas SJ-30GH y se envía al tanque de servicio; al pasar por una etapa
de calentamiento y control de viscosidad, puede ser usado por los MDU. El aceite
lubricante de los motores también se purifica en una separadora centrífuga SJ-30G.
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2.2 Descripción de la purificadora SelfJector Genius Series (SJ-G series).
La Fig. 2-3 muestra la configuración típica del sistema de purificación de las purificadoras
SJ-G series especificadas por Samgong-Mitsubishi.
Fig. 2-3 Configuración del modelo automático GSH-1 (HIDENS) de SelfJector.
1 Purificadoras SJ-G series. CV1 Válvula de alimentación de 3 vías. 2 Unidad de válvulas solenoides. SV4 Válvula solenoide de 3 vías. 3 Multimonitor. V5 Válvula de control de la presión. 4 Bomba de succión. V6 Válvula de ajuste de la presión. 5 Calentador de HFO/LO. V7 Válvula de control del flujo. DD Detector de descarga. V8 Válvula de by-pass WD Detector de agua. V9 Válvula de entrada del agua. LM Monitoreo de fuga de HFO/LO. V10 Válvula de descarga de lodos Nota: El modelo GBC-1 no posee la válvula solenoide SV9.
En la Tabla 2-1se muestran los valores recomendados para la operación:
Tabla 2-1 Valores recomendados para la operación.
Cant. Modo de Operación
Flujo (Kg/h)
Presión (MPa)
Temperatura (ºC)
Consumo de la línea de vapor Calentador de HFO / LO 2 / 1 Continua 145 / 96 0.7 160.6
Consumo de la línea de agua Unidad de válvulas solenoides en las purificadoras HFO / LO 2 / 1 Intermitente 9 / 6.5 0.35 ~ 0.5 Normal
Consumo de la línea de aire Válvula de 3 vías HFO / LO 2 / 1 Intermitente 0.8 / 0.4 0.5 ~ 0.9 Normal
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31
2.2.1 Purificadoras SJ-G series.
Las purificadoras SJ-G series incluyen cuatro tipos diferentes de modelos separados
básicamente en automáticos y manuales. Ver Tabla 2-2. [HYUNDAI, 2006].
Tabla 2-2. Características de los modelos de las purificadoras SelfJector.
GBC-1 GSH-1 GAP-11 Manual
Panel de control X X
Panel de alarmas X
Automático X X Unidad de válvulas solenoides para la operación del agua Manual X X
Válvula de alimentación de 3 vías X X X
Válvula solenoide de 3 vías X X X
Monitoreo de fuga (LM) X X X
Detector de descarga (DD) Opcional X
Detector de agua (WD) X
Los modelos automáticos presentan la misma estructura aunque presentan características
con diferentes funciones:
• GBC-1: está provisto de una unidad de tres válvulas solenoides: SV1, SV2 y SV3
para realizar la descarga total de lodos.
• GSH-1: presenta una unidad de cuatro válvulas solenoides: SV1, SV2 y SV3 para
realizar la descarga total de lodos y SV9 para la descarga parcial de lodos.
Cada HTU de los grupos electrógenos HYUNDAI de 1.7 MW está compuesto por:
o Dos purificadoras de fuel oil modelo SJ30GH del tipo auto-limpiante con descarga
parcial y total de lodos.
o Una purificadora de aceite modelo SJ30G del tipo auto-limpiante con descarga total
de lodos.
2.2.2 La válvula cilíndrica de 3 vías.
La válvula cilíndrica de 3 vías es operada neumáticamente y se encuentra montada en la
tubería de entrada de la purificadora. Cuando se enciende o se apaga el motor, o en la
descarga de lodos, la válvula hace retornar el fluido por la tubería de recirculación. Luego,
durante el proceso de purificación, se encarga de suministrar a la purificadora, el fluido de
alimentación.
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32
2.2.3 Unidad de válvulas solenoides para la operación del agua.
La unidad de válvulas solenoides, ver Fig.2-4 incluye una válvula reductora para lograr la
presión del agua requerida en cada purificadora. Cada una de las válvulas solenoides es
accionada por una señal proveniente del panel de control y se encargan de controlar el
flujo de agua para las diferentes operaciones del tazón, como son:
o Apertura del tazón (SV1),
o Cierre del tazón (SV2),
o Agua de sellado y reemplazo (SV3),
o Agua de regulación,
o Agua de lavado.
Fig. 2-4 Unidad de válvulas solenoides
En las purificadoras de fuel oil no se utiliza el agua de regulación ni de lavado. El agua de
sellado impide la fuga de combustible por la salida del líquido pesado (salida del agua
separada) y el agua de reemplazo se encarga de extraer el líquido purificado que se
encuentra en el interior del tazón antes de una descarga de lodos.
2.2.4 La válvula solenoide de 3 vías.
Esta válvula solenoide cambia la posición en dependencia de la señal eléctrica
proveniente del panel de control y actúa mediante el flujo de aire sobre la válvula cilíndrica
de 3 vías.
2.2.5 La bomba de succión.
La bomba de succión se encarga de la alimentación del líquido a procesar, la cual se acopla
directamente en el eje horizontal a través de una junta de seguridad y es accionada por el
motor de la purificadora. El modelo utilizado en ambas purificadoras es el GP30G con una
capacidad máxima de 3600 Lts/hr, succiona desde -4m y entrega hasta 20 m de altura.
2.2.6 El multimonitor (MM).
El multimonitor es un sistema integrado de detección que incluye un display para indicar
los datos operacionales del estado de la purificadora tales como: flujo de alimentación,
temperatura en la tubería de entrada, presión en la entrada y la salida y número de
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33
revoluciones del motor. Contiene además un conector serie (RS485) que posibilita la
comunicación con el panel de control. El multimonitor está disponible en tres tipos MM-1,
MM-2 y MM-3, que se seleccionan en dependencia de la configuración del sistema. En la
Fig.2-5 se observan las señales que se envían del panel de control al multimonitor y
viceversa.
Fig. 2-5 Esquema general del multimonitor.
2.2.6.2 La función del detector de descarga. (DD: Discharge Detector).
La descarga normal de fango es acompañada por una caída en la velocidad de rotación
del eje horizontal. Confiando en esta característica, constantemente se monitorea la
velocidad del eje por medio de un sensor de proximidad. La señal de este sensor es
expedida al multimonitor, cuando se determina la no descarga de lodos a través de un
circuito de comparación de datos, se envía una señal de alarma “No-discharge” hacia el
panel de control.
2.2.6.3 La función del detector de agua. (WD: Water Detector)
Esta función es usada sólo en la configuración automática del sistema GSH-1 cuando
operan como clarificadoras y está disponible en dos modelos: uno de presión y otro de
capacidad electrostática (opcional). El diseño de presión constantemente monitorea los
niveles cambiantes de agua acumulada en el tazón por medio de un sensor de presión
provisto en la línea de circulación. Cuando el agua en el interior del tazón ha excedido un
valor predeterminado, la presión en la línea de circulación cae, y el multimonitor envía una
señal al panel de control para efectuar una descarga de fangos.
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34
2.2.6.1 La función de monitoreo de fuga de HFO/LO. (LM: Leakage Monitor).
Esta señal de monitoreo detecta la fuga del HFO/LO durante el proceso de purificación ya
sea por la conexión de salida de lodos o por la conexión de salida del líquido pesado,
minimizando así, la pérdida de combustible tratado. En las tuberías de entrada y salida de
la purificadora están ubicados los sensores de presión, los cuales detectan una caída de
presión, cuando la fuga de HFO/LO es bastante pronunciada; inmediatamente se envía
una señal de alarma “Leakage” al panel de control por el multimonitor, se detiene la
alimentación y se desencadena el mecanismo de descarga de lodos; sólo después de
resetear la alarma se puede reiniciar el funcionamiento de la purificadora.
2.2.7 El calentador de HFO/LO.
El calentador de HFO/LO está instalado entre la bomba de succión y la purificadora. Antes
de que el flujo de alimentación sea tratado por la purificadora, debe ser calentado a una
temperatura óptima de trabajo, según la naturaleza y la viscosidad particular del fluido. El
calentador está provisto de una válvula autooperable para controlar la temperatura.
2.2.8 El panel de control KT-PFC-A.
El panel de control diseñado por Samgong-Mutsubishi SELFJECTOR controla
automáticamente el ciclo de purificación del HFO/LO. Cuando ocurre una fuga de aceite o
una falla en la descarga del fango de la purificadora, el panel de control emite una alarma,
se detiene automáticamente el suministro de HFO/LO y se realiza una descarga de lodos.
Este panel se encuentra situado en la puerta del armario de control del HTU y consta
además de un display que permite modificar y monitorear los temporizadores, contadores
y demás variables del proceso (ver Fig. 2-6)
Fig. 2-6 Display de las purificadoras en el panel de control.
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35
En la Fig. 2-7 se observa la estructura interna del panel de control, donde se resalta la
conexión de la PT100 al módulo de entrada del KT-PFC-A y la señal analógica de
corriente (4-20 mA) de esta medición de temperatura que ofrece el módulo de salida. Se
observan también las señales de diferentes detectores, así como las señales de alarmas.
Fig. 2-7 Estructura interna del panel de control KT-PFC-A
En la Tabla 2-3 se observan las especificaciones técnicas del panel de control.
Tabla 2-3. Especificaciones técnicas del panel de control (KT-PFC-A).
Tipo KT-PFC-A Alimentación AC 110/220V Consumo de potencia
Controlador de la purificadora (PFC) 55 w Válvulas solenoides (5) 75 w Multimonitor 7 w
Temperatura de operación 0 ºC – 70 ºC Peso 3 Kg Especificaciones del controlador Tipo 8bit Microprocesador Tipo de programa Ensamblador Memoria de programa 8 Kbyte Memoria de datos
RAM 396 bytes EEPROM 256 bytes
Especificaciones in/out analógicas Entradas analógicas (PT100 Ω) Temperatura del HFO/LO (0-200 ºC) Salidas analógicas (4-20 mA ) Temperatura del HFO/LO (0-200 ºC)
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2.2.9 Motor
El motor de inducción tipo jaula de ardilla con aislamiento de clase F se encarga de
transmitir la potencia a través del embrague de fricción para el eje horizontal, aminorando
la carga de puesta en marcha. Cuando el motor es encendido, inmediatamente alcanza un
valor cercano a la velocidad de trabajo (1770 rpm), acelerando gradualmente el rotor hasta
que este alcance los 10 000 rpm.
Este motor es alimentado con una red trifásica de 480 v de corriente alterna a 60 Hz, con
una potencia de salida de 7.5 Kw (Purificadora HFO) y de 5.5 Kw (Purificadora LO).
2.3 Estructura de la purificadora SelfJector Genius Series (SJ-G series).
La purificadora consta de una sección de proceso y otra de accionamiento, activada
mediante un motor eléctrico, como se muestra en la Fig.2-8.
Fig. 2-8 Estructura general de la purificadora SJ-G series.
El proceso de separación se produce en el interior del rotor giratorio de la separadora que
está montado en la parte superior del eje vertical y gira a alta velocidad en el interior de la
carcasa.
En la sección de accionamiento, la potencia del motor se transmite a través del embrague
de fricción al eje horizontal, incrementando su velocidad más allá de la velocidad del
motor; esta potencia se transmite al eje vertical a través del engranaje espiral montado en
el eje horizontal y del piñón que se encuentra en el eje vertical. Esta sección dispone
también de un cárter de aceite para la lubricación de los cojinetes del eje. Ver Fig.2-9.
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Fig. 2-9 Sistema de ejes de la purificadora SJ-G series.
2.3.1 El embrague de fricción
Entre el eje horizontal y el motor se proporciona el embrague de fricción usado para el
arranque manso y la aceleración, previniendo que el motor se cargue excesivamente. El
eje motor posee una guía de fricción provista de bloques (zapatas) de fricción y el eje
horizontal tiene una polea de fricción. Ver Fig. 2-10
Fig. 2-10 Embrague de fricción.
El embrague es accionado mediante la fuerza centrífuga provocada por la velocidad del
eje del motor, así cuando las pesadas zapatas de fricción se expanden, lo hacen contra la
superficie interior de la polea de fricción y el poder es transmitido a la polea de fricción.
Normalmente el rotor está diseñado para que logre su velocidad de operación en
aproximadamente de 6 a 8 minutos.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
38
Cuando se requiere una parada rápida de emergencia, se accionan las bandas del freno
contra la superficie exterior de la polea de fricción como se muestra en la Fig. 2-11.
Fig. 2-11 Freno de seguridad.
2.3.2 La bomba centrípeta
La bomba centrípeta, ubicada en la cima del rotor, transfiere el aceite limpio desde la
cámara de acumulación del líquido ligero hacia el exterior a través de las tuberías de
salida. Ver Fig. 2-12.
Fig. 2-12 Bomba centrípeta. 2.3.3 El rotor.
El rotor está formado por: la cámara de separación, el distribuidor, el cuerpo del rotor y las
cámaras del líquido pesado (Agua) y ligero (HFO/LO). El distribuidor transfiere
uniformemente el líquido sin procesar de la entrada del tazón hacia la cámara de
separación, la cual está compuesta por el disco tope, el montón de discos y un cilindro
principal. En la periferia del cuerpo del rotor se encuentran dos válvulas pilotos controladas
por la presión de agua que se encargan de regular el deslizamiento del cilindro.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
39
2.3.4 El dispositivo de suministro de agua.
El dispositivo de suministro de agua, como se observa en la Fig. 2-13, está provisto en la
parte inferior del tazón para abastecer el agua de operación a cada una de las cámaras de
presión de agua, lo que permite la apertura y el cierre del tazón.
Fig. 2-13 Dispositivo de suministro de agua
El agua de apertura es suministrada por la sección A de la Fig. 2-13 y entra en la cámara
de presión para la apertura del tazón; una parte sale a través de la tobera del conducto de
drenaje y se sigue suministrando agua hasta llenar dicha cámara.
En la apertura del tazón, la presión del agua desliza la válvula piloto hacia el centro del eje,
ver Fig. 2-14a quebrando el cierre hermético del asiento de la válvula, lo que facilita el
escape del agua que mantiene cerrado el tazón. Cuando el agua de cierre del tazón se
retire completamente y ninguna otra fuerza empuje hacia arriba el cilindro, entonces este
desciende debido a la presión en el tazón. Ver Fig. 2-14b.
Fig. 2-14 Mecanismo de descarga.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
40
El agua de cierre es suministrada intermitentemente durante el proceso de purificación por
la sección B de la Fig. 2-13; esto se debe a que el agua en la cámara de presión para el
cierre del tazón rota junto con este, por lo que se debe lograr un equilibrio entre la presión
generada por la fuerza centrífuga y la presión del agua para el cierre del tazón.
Fig. 2-15 Mecanismo para cerrar el tazón.
En el mecanismo de cierre del tazón, la fuerza centrífuga actúa sobre el asiento de la
válvula piloto que sella herméticamente la cámara de presión para el cierre del tazón,
luego se llena esta cámara con el agua de operación que empuja el cilindro principal hacia
arriaba cerrando la junta principal de sellado. Ver Fig. 2-15
2.4 Modos de operación.
Las purificadoras SJ-G series pueden trabajar en dos modos de operación: Purificación y
Clarificación. Sin embargo, en los HTU de los grupos electrógenos de fuel oil instalados
hasta la fecha en Ciudad de la Habana, sólo se emplea el modo de purificación, debido al
alto contenido de agua que tiene el fuel oil, el cual se utiliza para los motores de
generación eléctrica. Por estas razones, en este trabajo se obvian algunos detalles del
modo de clarificación, como son: la descarga parcial, el funcionamiento de la válvula SV9
y la función de detección de agua (WD).
2.4.1 Purificación.
La operación como purificador se aplica a una separación en 3 fases: el HFO/LO, el agua
y el fango. Este modo de operación es el más empleado comúnmente
• El límite máximo de la gravedad específica o densidad relativa del fluido a tratar es
de 0.991 a 15 ºC.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
41
• Para la operación normal, la interfaz debe estar colocada para dentro de un rango
especificado cambiando el diámetro del disco gravitacional.
• El purificador tiene una conexión de salida del líquido pesado para la descarga
continua del agua separada.
• Antes de introducir el líquido a tratar, se requiere de agua de sellado a fin de que el
líquido no se escape a través de la conexión de salida del líquido pesado.
Fig. 2-16 Operación como purificadora
Cuando el líquido a procesar es introducido por la entrada de alimentación, se reparte a
través del distribuidor hacia la cámara de separación y atraviesa la abertura entre los
discos. Mientras que el líquido pesado (agua) y los sólidos van hacia la periferia, el líquido
ligero asciende por el interior de los discos y es liberado al exterior por la bomba centrípeta,
localizada en el tope del tazón. En la Fig. 2-16 se observa como el agua separada pasa
por fuera del disco tope y fluye por el disco de gravedad, para ser descargada
continuamente a través del impelente del líquido pesado. Los sólidos se expulsan
intermitentemente por la salida de lodos. [HYUNDAI, 2006].
2.4.2 Clarificación.
La operación del clarificador se refiere a una separación en 2 fases: HFO/LO y (agua +
fango).
• La operación como clarificador es recomendada, si la gravedad específica del
líquido a tratar se encuentra entre los 0,991 y los 1.01 a 15 ºC,
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
42
• Sin distinción de la densidad relativa del líquido a tratar, las series G-HIDENS en
este modo de operación, no necesitan ajuste del disco de gravedad y no requieren
de agua de sellado.
• Durante la operación de clarificación, la conexión de salida del líquido pesado se
emplea para la circulación de una parte del líquido ligero, por lo que no puede ser
utilizada para la descarga continua del agua.
El sistema G-HIDENS como clarificador es diseñado para detectar la acumulación de agua
separada mediante el sensor de presión instalado en la línea de circulación y la descarga
de esta, fuera del tazón. La Fig. 2-17 muestra un corte del rotor de un sistema típico SJ-GH
series en operación como clarificador.
Fig. 2-17 Operación como clarificadora.
El líquido de alimentación es introducido en la zona de separación a través del distribuidor.
Mientras que el líquido pesado (el agua) y los sólidos van a la periferia del tazón, el líquido
ligero se mueve entre los discos y se descarga por medio de los impelentes del líquido
ligero. Una parte del líquido ligero pasa por fuera del disco tope y es devuelto a la entrada
del líquido de alimentación a través de la línea de circulación gracias al impelente de
líquido pesado. Para hacer esta toma, la presión en la línea de circulación a través de
válvula de contrapresión debe ser de 0.1 MPa. Con la llegada del agua acumulada en el
tazón al disco máximo, la circulación de líquido ligero se detiene lo que provoca una caída
en la presión de la línea de circulación. Esta caída de presión (signo de acumulación
máxima de agua en el tazón) es detectada por un sensor de presión, cuya salida es
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
43
transmitida al multimonitor y como resultado el agua acumulada es expulsada del tazón.
Mientras el agua es normalmente descargada en el modo de descarga parcial, la descarga
total con fango ocurre en dependencia del tiempo transcurrido en la detección del agua.
2.5 Razón de flujo de alimentación.
Una apropiada razón del flujo de alimentación permitirá un funcionamiento eficiente de la
purificadora. En la Tabla 2-4 se muestran los valores de flujo del combustible a purificar,
según el tipo de combustible, la viscosidad del mismo y el modelo del purificador que se
está utilizando.
Tabla 2-4 Valores de flujo de alimentación de las purificadoras SJ30G/GH.
SJ30GH (L/h) 7800 4700 3350 2650 2350 2150 3750 3100 2.6 Temperatura de tratamiento.
La capacidad de tratamiento de las purificadoras de HFO/LO depende principalmente de la
viscosidad del líquido de alimentación.
Para asegurar que las purificadoras funcionen eficazmente, se debe calentar dicho líquido
a la temperatura de tratamiento, con el fin de alcanzar la viscosidad óptima para la
purificación de ese fluido. Ver Tabla 2-5.
Tabla 2-5 Valores de viscosidad y de la temperatura de tratamiento.
Tipo de fluido Temperatura de Tratamiento (ºC) HFO tipo A 14 mm2/sec a 40 ºC 40 HFO tipo C 180~700 mm2/sec a 50 ºC 98
100 mm2/sec a 40 ºC (SAE#30) 90 LO 150 mm2/sec a 40 ºC (SAE#40) 95
La Fig. 2-18 muestra la dependencia entre la temperatura de tratamiento y la viscosidad
del fluido a 50 ºC. Además se puede observar que para el fuel oil tipo C, que es con el que
cuenta en el país, la temperatura de tratamiento es de 98 ºC, ya que su viscosidad a 50 ºC
es superior a los 180 mm2/sec. Esta temperatura debe mantenerse durante el transcurso
del proceso de purificación si se desea obtener un producto de buena calidad.
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44
Fig 2-18 Gráfica para el cálculo de la temperatura de tratamiento.
2.7 Procedimiento para la selección del disco de gravedad.
En la operación de purificadora es imprescindible mantener en un rango específico la
interfase entre el líquido ligero y el líquido pesado; por consiguiente el SelfJector puede
emplear varios discos de gravedad de diferentes diámetros, ver Tabla 2-6. Si se coloca un
disco de gravedad con un diámetro interior mayor, la interfase se mueve hacia afuera y si
se pone un disco con un diámetro interior menor, la interfase se mueve hacia dentro.
Tabla 2-6 Discos de gravedad de SelfJector Genius.
Operación purificadora Diámetro interno del disco de gravedad (mm). SJ30G/GH 65 66.5 68.5 71.5 75 79 82 86 90
Operación Clarificadora SJ30GH 63
La selección de un disco de gravedad apropiado constituye uno de los aspectos más
importantes en el tratamiento del HFO/LO. El Anexo 2-1 muestra el nomograma que se
emplea para la correcta selección del disco de gravedad en las series SJ30G/GH.
Básicamente se distinguen dos formas de proceder [HYUNDAI, 2006]:
1. Se conoce la gravedad específica a 15 ºC del líquido a tratar.
o Aspectos conocidos.
La gravedad específica
Temperatura de tratamiento
0.925 a 15 ºC.
70 ºC.
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45
Flujo 3000 L/h
o Método de selección.
1º En el nomograma se obtiene el punto de intercepción (P) entre la curva que
sale de 0.925 con pendiente negativa (cayendo), y la línea vertical en los 70 ºC.
Luego se dibuja una línea horizontal (1) desde el punto P hasta alcanzar los
100 ºC.
2º Se conecta el punto final (a la derecha) de la línea (1) y el punto de 3000 L/h
de la escala de capacidad de tratamiento con una línea recta (2).
3º Se lee en la sección del diámetro interno del disco de gravedad la intersección
de la línea (2).
4º Para este ejemplo el disco de gravedad tiene un diámetro de 79 mm.
2. Se conoce la gravedad específica a una cierta temperatura del líquido a tratar.
o Aspectos conocidos.
La gravedad específica
Temperatura de tratamiento
Flujo
0.944 a 50 ºC.
98 ºC.
1250 L/h
o Método de selección.
1º En el nomograma se obtiene el punto de intercepción (P) entre la curva que
sale de 0.944 con pendiente positiva (subiendo), y la línea vertical en los 50 ºC.
Para convertir la gravedad específica a los 15 ºC, se dibuja una curva que sale
desde el punto P con pendiente negativa (cayendo), hasta la temperatura de
tratamiento 98 ºC, entonces se dibuja una línea horizontal (1) hasta alcanzar
los 100 ºC.
2º Se conecta el punto final (a la derecha) de la línea (1) y el punto de 1250 L/h
de la escala de capacidad de tratamiento con una línea recta (2).
3º Se lee en la sección del diámetro interno del disco de gravedad la intersección
de la línea (2).
4º Para este ejemplo el disco de gravedad tiene un diámetro de 71.5 mm.
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46
2.8 Secuencia de operación del proceso de purificación.
2.8.1 Procedimiento para el arranque.
1. Asegurarse de que las válvulas [V5, V6, V7, V8, V9 y V10] (ver Fig. 2-3), estén
totalmente abiertas. Además en los modelos GSH-1, la válvula de salida del líquido
pesado debe estar totalmente abierta y la válvula de contrapresión totalmente
cerrada.
2. Verificar la presión en la línea de aire, accionando sobre la válvula SV4 y la presión
de agua en la unidad de válvulas solenoides que controlan el agua de operación.
3. Encender el switch de alimentación del panel de control y del multimonitor, en ese
orden. Verificar el encendido del display y las lámparas de siete segmentos del
panel de control y del multimonitor respectivamente.
4. Presionar el botón de encendido del motor. Asegurarse que el sonido y la vibración
son normales.
5. Abrir la válvula del flujo de vapor y fijar el setpoint de temperatura del calentador en
el valor prefijado.
6. Esperar el tiempo necesario para que el motor alcance el valor de corriente nominal
de 7~9 A y que la temperatura del combustible alcance el setpoint.
7. Presione el botón Auto-Start del display en el panel de control para comenzar el
proceso de purificación.
8. Después de alimentar la purificadora (led de SV4 encendido), regular el flujo de
alimentación mediante la válvula de control de flujo V5 y la válvula de by-pass V8.
Chequear que el valor que se muestra en el multimonitor es el valor establecido.
Asegurarse que la presión en la salida del líquido ligero se logra con V6 totalmente
abierta y que no exista fuga de combustible por la salida de lodos ni por la salida del
líquido pesado.
2.8.2 Procedimiento para la parada.
1. Presione el botón de Auto-Stop del display en el panel de control. Comprobar que la
válvula de alimentación (CV1) cambia a recirculación (led de SV4 apagado) y
comienza la secuencia de descarga de lodos. Confirmar la descarga de lodos a
través del sonido de descarga.
2. Cerrar la válvula de flujo de vapor hacia el calentador.
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47
3. Después de asegurarse que el motor de la purificadora esté completamente
detenido, cerrar la válvula de entrada del flujo de combustible (V7) y la válvula
mariposa (V10) del conducto de descarga de lodos.
4. Apagar los switch de alimentación del multimonitor y del panel de control, en ese
orden.
2.8.3 Operación automática del proceso de purificación.
Cuando los modelos GSH-1 son usados en el modo de descarga total (operación de
purificación) se debe seleccionar e instalar el disco de gravedad apropiado para la
gravedad específica o densidad relativa del líquido de alimentación. La válvula de
contrapresión de la línea de circulación para el retorno del fuel oil debe estar cerrada y la
válvula de salida del líquido pesado debe estar abierta. Debe verificarse además que el
selector del detector de agua se encuentra en la posición de No working y el switch de
salida de la detección de agua debe estar apagado. [HYUNDAI, 2006].
En la Tabla 2-7 se muestran los intervalos de tiempos de cada una de las operaciones que
se realizan durante el proceso de purificación, los valores de tiempo para el agua de
sellado y el agua de reemplazo están basados en un flujo de agua de 8 L/min.
Tabla 2-7 Intervalos de tiempos de las operaciones durante la purificación.
Temporizadores y contadores de operación SJ30G/GH Intervalo T000 (seg.) 15 Agua para abrir el tazón T001 (seg.) 3 Agua de reemplazo T002 (seg.) 12 Agua de sellado T003 (seg.) 12
FO 0 Agua de lavado del tazón LO
T004 (seg.) 19
Suministro intermitente de agua C014 (min.) 10 Agua para cerrar el tazón T016 (seg.) 5 Intervalo de descarga C015 (min.) 30
FO 0 Contador de lavado del tazón LO
C023 (veces) 6
Nota: En los modelos GSH-1 que funcionen en el modo de purificación, los valores de los
temporizadores T011, T012, T013, C022, C026 y C027 deben fijarse a cero.
La secuencia de inicio del proceso de purificación comienza al pulsar el botón Auto-Start
del display perteneciente a cada purificadora Fig. 2-19(a). La secuencia de operación
continua de purificación se lleva a cabo en el panel de control, de manera cíclica y
automáticamente, como se describe en la Fig. 2-19(b).
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48
Fig.2-19 Secuencias de funcionamiento de las purificadoras SJ-G series.
En el Anexo 2-2 se muestra y se explica en detalles la carta de tiempo del funcionamiento
de las purificadoras SJ-G series.
2.8.4 Las alarmas y las acciones correctivas.
Las alarmas por “fuga de combustible” y de “no descarga” de lodos detienen la
alimentación de la purificadora y se realiza una descarga de lodos. Luego se resetea la
alarma, en el botón de Alarm-Reset, y el líquido puede volver a circular de forma segura
por el SELFJECTOR.
Posibles causas de la alarma por fuga de combustible (“LM”).
1. El cierre del rotor fracasa debido a una falla en el SelfJector.
Acción: Chequear que el SelfJector está en operación automática.
2. El agua para cerrar el tazón no fue suministrada porque la válvula SV2 no abre.
Acción: Repare o reemplace la válvula con otra no defectuosa.
3. El agua de sellado requerida no fue suministrada porque la válvula SV3 no abre.
Acción: Repare o reemplace la válvula con otra no defectuosa.
4. El agua de sellado requerida no fue suministrada porque el tiempo del temporizador
del agua de sellado es muy corto.
Acción: Ajuste el tiempo en los temporizadores a través del display del panel de control.
5. Falla la apertura de las válvulas SV2 y SV3 debido a que el módulo de salida del
panel de control está defectuoso.
Acción: Sustituya el módulo de salida con otro no defectuoso.
6. El multimonitor (MM), el sistema de agua o el de aire están defectuoso.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
49
Acción: Refiérase al manual del fabricante.
Posibles causas de la alarma por no descarga del rotor (“NO-DIS”).
1. La apertura del rotor fracasa debido a una falla en el SelfJector.
Acción: Chequear que el SelfJector está en operación automática.
2. El agua para abrir el tazón no fue abastecida porque las válvulas SV1 no abre.
Acción: Repare o reemplace la válvula con otra no defectuosa.
3. Falla la apertura de la válvula SV1 debido a que el módulo de salida del panel de
control está defectuoso.
Acción: Sustituya el módulo de salida con otro no defectuoso.
4. El valor de presión de la válvula reductora es muy bajo, entonces el volumen de la
descarga de lodos es menor.
Acción: Ajuste el valor de presión requerido en la válvula reductora.
5. El multimonitor (MM), el sistema de agua o el de aire están defectuoso.
Acción: Refiérase al manual del fabricante.
Fig. 2-20 Carta de tiempo de las alarmas, (“LM”) y (“NO-DIS”).
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50
Posibles causas de la alarma por alta (“T(H)”) o baja(“T(L)”) temperatura.
1. La temperatura del combustible es inferior al valor predeterminado para la alarma.
Causa Acción
La válvula del flujo de vapor está cerrada. Abrir la válvula del flujo de vapor.
No hay flujo de vapor en la línea. Revise la presión de vapor de la caldera.
El setpoint de temperatura es incorrecto. Ajuste el setpoint al valor predeterminado.
2. La temperatura del combustible es superior al valor predeterminado para la alarma.
Causa Acción
El sistema de la válvula termorreguladora
está defectuoso.
Sustituya el sistema por otro no defectuoso.
El setpoint de temperatura es incorrecto. Ajuste el setpoint al valor predeterminado.
En la alarma por temperatura alta o baja no ocurre la parada de la purificadora ya que es
posible atender la causa que originó la alarma, resetear la misma y continuar trabajando.
2.9 Factores que influyen en la fuga de combustible.
En el proceso de preparación del combustible fuel oil que se efectúa en los HTU de los
grupos electrógenos HYUNDAI de 1.7 MW instalados en Ciudad de la Habana, se
presentan graves problemas que influyen notablemente en la fuga de combustible y que
afectan el buen desarrollo de dicho proceso.
Después de un análisis minucioso de los trabajos científico – técnicos relacionados con el
funcionamiento de las separadoras centrífugas y el estudio del manual de operación de las
purificadoras SJ-G series, se identificaron los principales factores que ocasionan la fuga
de combustible fuel oil, en dichas purificadoras:
1. La incorrecta selección del disco de gravedad o el hecho de no cambiarlo cuando
varía la gravedad específica del fuel oil.
2. El inexacto control de la temperatura del combustible.
En la ecuación (1.16) se expone la dependencia del radio de la interfase, con el valor de la
densidad del líquido ligero (HFO) y el radio del líquido pesado (agua), considerando que
durante el proceso de purificación, la densidad del agua y el radio del líquido ligero se
mantienen constantes.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
51
El radio del líquido pesado (agua) puede variar en dependencia del diámetro del disco de
gravedad y según lo explicado en el epígrafe 1.8, el radio de la interfase tiene una relación
directamente proporcional al diámetro del disco de gravedad. El valor de la densidad
relativa del combustible varía según los cambios de la temperatura; si aumenta la
temperatura disminuye la densidad relativa y viceversa.
Cuando el diámetro del disco de gravedad es superior al que se requiere para un
combustible con una determinada densidad relativa y/o la temperatura de tratamiento
disminuye notablemente (sin alcanzar los 75 ºC, alarma por baja temperatura), la interfase
se desplaza hacia la periferia y la fase ligera ocupará mayor espacio en el rotor. Luego,
para realizar la descarga de lodos, siempre se agrega el mismo volumen de agua de
reemplazo, y como la interfase está desplazada, hay un mayor volumen de fuel oil en el
interior del tazón, por lo que una parte de este combustible no se logra extraer y queda
“atrapado” entre el agua de reemplazo y el agua del “cierre hidráulico”, por lo tanto en
cada descarga de lodos se perdería una parte sustancial del combustible.
Resulta importante señalar el caso de que el líquido ligero alcance el disco tope, lo cual
provocaría pequeñas fugas de combustible a través de la salida del líquido pesado.
Estas situaciones pueden ocurrir durante un largo período de tiempo, sin activar la alarma
de fuga de combustible.
La temperatura del combustible es otra de las causas que ocasiona fugas durante el
proceso de purificación. Tengamos en cuenta que:
El tazón de las purificadoras se cierra de forma hidráulica, por lo que el agua que
mantiene cerrado el tazón está en contacto directo con este.
El fuel oil que purifican las separadoras centrífugas posee una viscosidad entre los
180~700 mm2/sec a 50 ºC, por lo que el punto de operación de la temperatura de
tratamiento es de 98 ºC.
Ahora, si durante un período prolongado de operación, la temperatura del combustible se
establece por encima de los 100 ºC, esto podría provocar una pequeña evaporación del
agua que cierra el tazón y por consiguiente una apertura anormal de este, produciendo así
la fuga del combustible fuel oil por el conducto de descarga de lodos. Esto implica además,
una caída en la presión en la salida de la purificadora, lo que conlleva a la activación de la
alarma por fuga de combustible y por tanto una descarga total de lodos y la pérdida de
todo el combustible que se estaba purificando.
Capítulo 3
Modificaciones al sistema de control de la
temperatura del fuel oil.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
53
La regulación eficiente de la temperatura del combustible a la entrada de la purificadora es
muy importante para lograr la disminución de la fuga de combustible fuel oil durante el
proceso de purificación. Debido a la incapacidad del regulador actual para poder controlar
la temperatura con la precisión requerida, se hace necesario el rediseño del lazo de
control de la temperatura del combustible a la salida del calentador de fuel oil.
El diseño de un sistema de control implica la identificación de los objetivos de control, la
selección apropiada de los elementos de medición, de acción final y de los lazos que los
van a interrelacionar, así como la identificación de las leyes de control más apropiadas; en
otras palabras, es una cuestión mucho más abarcadora que el tradicional ajuste de
controladores. [Delgado, 2002].
3.2 Medios técnicos del lazo de regulación actual.
El HTU cuenta con intercambiadores de calor de placas del fabricante Alfa Laval modelo
M6-FG, los cuales constituyen un equipamiento auxiliar de las purificadoras. Este modelo
de intercambiador utiliza el vapor proveniente de la caldera para elevar la temperatura del
HFO/LO antes de pasar al proceso de purificación. El intercambiador de calor consigue
dicho propósito regulando el caudal de vapor que pasa por sus placas a través de la
válvula de control de temperatura, como se muestra en la Fig. 3-1. El sensor de
temperatura del combustible se localiza en la tubería de salida del intercambiador, el cual
está conectado por un tubo capilar flexible al actuador de la válvula termorreguladora
autooperable que se encuentra en la tubería de entrada del vapor.
Fig. 3-1. Diagrama tecnológico del lazo de regulación de temperatura.
En la parte superior de este sensor se halla un manubrio que se encarga de alejar o
acercar el sensor al flujo de combustible, de este modo se fija el punto de operación de la
temperatura del combustible en la escala existente.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
54
3.2.1 Intercambiador de placas M6 de Alfa Laval.
El intercambiador de calor de placas consta de un conjunto de placas metálicas
acanaladas con orificios que permiten el paso de los dos fluidos entre los que se realiza
la transferencia de calor. [HYUNDAI, 2006]
En la Fig. 3-2. se observa que el conjunto de placas está montado entre una placa
bastidor y otra de presión, y se mantiene apretado mediante pernos tensores. Las placas
están provistas de una junta que sella el canal y envía a los fluidos hacia canales
alternos. El acanalado de las placas provoca un régimen turbulento del fluido y
contribuye a que las placas resistan a la presión diferencial.
Fig. 3-2. Intercambiador de calor de placas modelo M6 de Alfa Laval.
Fig. 3-3. Circulación de los
fluidos dentro del IC.
Los fluidos se introducen por los orificios de conexión y
circulan por los canales que se forman entre placas.
Un fluido es conducido a un segundo paso, mientras el
otro circula por el canal que forman estos dos
primeros. Los dos fluidos se encuentran así separados,
sin poderse mezclar, por una delgada placa a través
de la cual se produce la transferencia de calor.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
55
Tabla 3-1. Especificaciones técnicas del Intercambiador de calor.
Especificaciones generales Modelo M6-FG Área de transferencia de calor 1,1 m2
Cantidad de calor 35.94 Mcal/h Volumen del líquido 1.7 dm3 Temperatura del vapor (entrada/salida) 160.6°C / 160.6°C Temperatura del HFO (entrada/salida) 60°C / 98°C Presión de vapor (entrada/salida) 648.48 KPa / 648.48 KPa Dirección relativa de los fluidos Contracorriente Nº de platos 10 Nº de platos efectivos 8 Nº de pases (vapor/HFO) 1 / 1 Material /espesor del plato AISI 316 / 0.60 mm Alto x Ancho x Longitud total 550mm x 320mm x 945mm Material de conexión SUS Lined Diámetro de conexión 50 mm
3.2.2 Válvula Termorreguladora
La válvula termorreguladora autoperable de simple asiento es aplicable para procesos que
requieran un tipo de actuación directa, puede soportar grandes diferencias de presión
entre la entrada y la salida de la válvula, es apropiada para el control de temperatura en
tanques de almacenamiento, o en equipos auxiliares que no requieran gran rapidez de
respuesta en el elemento de acción final, como por ejemplo en las calderas, los
intercambiadores de calor y tanques secadores. Su instalación es relativamente fácil y no
necesita energía eléctrica para su funcionamiento. El tubo flexible está cubierto para lograr
una mayor protección.
En la Tabla 3-2 se muestran las especificaciones de esta válvula termorreguladora:
Tabla 3-2. Especificaciones técnicas de la válvula termorreguladora.
Especificaciones generales Válvula Máxima temperatura de trabajo 220°C Máxima presión de trabajo 10 KPa Fluido de trabajo vapor y agua caliente Hydro text pressure Presión de trabajo * 1.5 Sensor de temperatura Escala manual de ajuste 50°C ~ 110°C Fluido de trabajo líquido Socket C 3602 Largo del tubo capilar 2 m
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
56
Fig. 3-4. Válvula termorreguladora.
Para regular el flujo de vapor que se le suministra al calentador, primero se fija el sensor
en la posición deseada de la escala, luego a medida que aumenta la temperatura del
combustible, el fluido que contiene el sensor se expande a través del tubo capilar y actúa
sobre la válvula, disminuyendo el flujo de vapor hacia el calentador. Posteriormente el
combustible disminuye su temperatura haciendo que el fluido retome su posición inicial, lo
que permite la apertura de la válvula debido a su característica de ser normalmente abierta.
Como se puede observar este es un lazo de control bastante simple ya que no existe un
controlador como tal, pero a su vez es muy inexacto para la regulación de la temperatura a
la salida del calentador. Los experimentos realizados para verificar la ineficiencia de este
lazo demostraron que la respuesta del sensor-actuador es demasiado lenta, con un tiempo
de establecimiento de 10 minutos y un porciento de pico máximo superior al 11%, en
muchas ocasiones el error de estado estacionario es de ± 5 ºC, por estas razones la
temperatura del fuel oil no cumple con los requerimientos que exige este proceso.
3.3 Aspectos básicos de la identificación de sistemas
La aplicación exitosa de las leyes de control, constituye un elemento fundamental el hecho
de contar con un modelo matemático que describa al proceso u objeto de control de forma
precisa [Ljung, 1999]. El modelo “perfecto” sería aquél que reprodujera la distribución de
probabilidad de las salidas de la planta ante cualquier posible entrada, y sería bueno para
predicción, para control, y para cualquier aplicación. Como dicho modelo no existe en la
práctica, el objetivo del modelado es que las imperfecciones del modelo estén en zonas
irrelevantes para la aplicación concreta. [Sala, 2001].
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
57
En [Stoica, 1989.] se señalan dos vías básicas para la construcción del modelo:
o Modelación matemática: no es mas que un enfoque analítico fundamentado en
leyes físicas (leyes de Newton, enfoque de Hamilton o de Euler-Lagrange) o
ecuaciones de balance, empleadas para describir el comportamiento del proceso.
o Identificación de sistemas: es un enfoque experimental donde se realizan algunos
experimentos sobre los procesos que se desean describir, se recolectan los datos
de interés y tomados como fundamento se comprueba la bondad de diferentes
modelos preseleccionados.
En ciertos casos, los procesos resultan de tal complejidad que no pueden obtenerse
modelos razonables tomando como base solo las leyes físicas o de primeros principios.
Ante estos casos es prácticamente obligado el empleo de las técnicas de identificación.
Con vista a la identificación de sistemas para la obtención de la estructura y los
parámetros del modelo matemático, se empleará una metodología que comprende las
siguientes etapas, [Tema201, 2007]:
1. Diseño experimental y su ejecución: En esta primera etapa es necesario decidir:
el tipo de señal de excitación, la dependencia entre las variables, el mejor período
para la adquisición de datos y la cantidad de datos necesarios.
2. Preprocesamiento de los datos: En esta etapa es preciso observar y reparar los
datos erróneos, aplicar algún tipo de filtro para eliminar posibles ruidos, eliminar
offsets y analizar la autocorrelación y la correlación cruzada de las mediciones.
3. Determinación de la estructura del modelo: En esta etapa es fundamental definir
el tipo de modelo a utilizar: continuos o discretos, lineales o no lineales, etc.
Además es necesario un procedimiento para determinar el orden del modelo.
4. Estimación de los parámetros del modelo: Esta etapa está muy relacionada con
la anterior, en ella se presenta el problema de decidir el método o métodos de
estimación de parámetros que se va a utilizar para calcular el valor de los mismos.
En general se puede escoger entre dos técnicas distintas: en el dominio temporal y
en el dominio frecuencial.
5. Validación del modelo: Es la etapa en la que debe preguntarse si el modelo
identificado es suficientemente representativo del proceso estudiado y se debe
definir un criterio para evaluar la calidad. Generalmente se dispone de varios
modelos candidatos y debe escogerse uno de ellos basándose en algún criterio.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
58
3.4 Identificación del proceso de variación de la temperatura en el calentador de fuel.
El proceso de variación de la temperatura dentro de un Intercambiador de calor de placas,
presenta un comportamiento dinámico variable que dificulta en gran medida la obtención
de su modelo matemático de forma analítica y sólo se pueden determinar experimentando
sobre el sistema real; de ahí la necesidad de recurrir a los métodos de identificación de
sistemas. Para hallar el modelo matemático que describe el comportamiento de la
temperatura del intercambiador de calor que acompaña a las purificadoras, se emplea la
identificación experimental no paramétrica y se utiliza, como señal de estímulo, un paso de
tipo escalón en el flujo de vapor que llega a los calentadores. Esta señal tiene como
ventaja la sencillez de la generación de dicha función y que el tiempo de experimentación
es relativamente corto, además la perturbación que se produce en la variación de
temperatura es perfectamente permisible durante la recirculación del combustible.
3.4.1 Diseño experimental y su ejecución.
Un elemento que influye notablemente en la calidad de las mediciones que se realizan es
el correcto diseño de los experimentos. Las primeras decisiones que intervienen en el
diseño de un experimento son acerca de qué variables registrar, qué variables controlar y
qué señales deben ser manipuladas para excitar al sistema durante el experimento. [Sala,
2001]. La bibliografía especializada señala que: “para mantener en un determinado rango
la temperatura de un fluido a la salida de un intercambiador, se debe controlar la variación
de flujo o la temperatura del fluido portador de calor”.[Bychkó,1988].
Se debe tener en cuenta que pueden existir señales que, aunque afecten a la evolución de
la salida, no pueden considerarse como entradas debido a la imposibilidad de actuar sobre
ellas. En el caso de que estas señales puedan ser medidas, pueden considerarse también
como entradas al sistema (midiéndose sus valores durante el experimento). En caso
contrario, deben ser consideradas como perturbaciones. [López, 2006].
Para la identificación del proceso de variación de temperatura en el intercambiador de
placas, se mide la temperatura del combustible a la salida del calentador considerando
como entrada un paso escalón en el flujo de vapor.
Se asume que las variables temperatura y presión del vapor, así como el flujo y la
temperatura de entrada del combustible serán constantes o lentamente variantes en el
tiempo.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
59
Los experimentos se realizan con el proceso en un rango de operación entorno a los ±20
ºC del punto nominal de trabajo, es decir, alrededor de los 98 ºC.
“Si el modelo va a ser utilizado para el control entonces las entradas y las salidas deben
ser idénticas a aquellas que son relevantes para el regulador, esto es: la dinámica de los
sensores y actuadores será considerada como parte del proceso”. [Fernández, 2002].
Fig. 3-5. Diagrama tecnológico del proceso a identificar.
Como se observa en la Fig. 3-5. los componentes del lazo de control que fueron incluidos
en este proceso de identificación fueron el intercambiador de calor de placas, la válvula
termorreguladora y el sensor de temperatura (Pt100) que transmite la temperatura del
combustible hacia el panel de control (KT-PFC-A), el cual se encarga entre otras cosas de
procesar los valores de resistencia que transmite Pt100 y visualizar en el display el valor
de la temperatura en forma digital, facilitando la observación de las mediciones.
3.4.1.1 Experimentos preliminares.
La literatura especializada y la documentación técnica del proceso son elementos de
consulta obligatoria, así como las entrevistas con el tecnólogo y los operadores de dicho
proceso.
Los experimentos preliminares indicarán las constantes de tiempo más significativas, la
presencia de no linealidades y las variaciones del proceso en el tiempo, los niveles de
ruido y los retardos del proceso, así como establecer un mejor tiempo de muestreo para
los experimentos de identificación, en caso de que el utilizado no sea el más adecuado.
La decisión de con qué frecuencia muestrear los datos se toma generalmente de manera
empírica, teniendo en cuenta que no se pierda información. No obstante, el teorema de
Shannon plantea que se debe muestrear por lo menos al doble de la frecuencia natural de
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
60
la señal o lo que es lo mismo, con un período de muestreo al menos dos veces menor que
la menor constante de tiempo del proceso. [Aström, 1984]. Si la frecuencia de muestreo es
muy elevada se obtendrá una señal que habrá perdido muy poco su continuidad, pero se
tendrá mucha información redundante; en cambio si la frecuencia de muestreo es muy
baja, entonces se perderá una parte considerable de la información.
Todos los experimentos se realizaron en el emplazamiento de grupos electrógenos de fuel
oil “Apolo” del municipio Arroyo Naranjo, y bajo las mismas condiciones iniciales siguiendo
los siguientes pasos:
1. Se cierra manualmente la válvula de seguridad, interrumpiendo el flujo del vapor.
2. Se abre la válvula de la línea de condensado, lo que permite extraer el vapor
residente en el interior del intercambiador de calor.
3. Se desconecta el sensor de temperatura que tiene incluido la válvula
termorreguladora colocándolo a temperatura ambiente, con el objetivo de “engañar”
a la válvula y lograr así, una apertura total de la misma.
4. Se enciende el motor de la purificadora que se encarga de recircular el fuel oil,
pasándolo por el calentador y enviándolo nuevamente al tanque de sedimentación.
Se espera un tiempo para que se establezca la temperatura del combustible a un valor
cercano de la temperatura del tanque de sedimentación, logrando una temperatura
homogénea en el interior del intercambiador. La temperatura a la salida del intercambiador
se muestra en el display del panel de control.
Luego se procede a la ejecución del experimento:
5. Se abre manualmente la válvula de seguridad hasta su valor máximo de apertura,
dando un paso escalón en el flujo de vapor que entra al intercambiador de calor y
este comienza a calentar el combustible.
6. Se anotan los valores de temperatura que se muestran en el display del armario de
control con un período de muestreo de 5 seg.
Inicialmente se realizaron 4 experimentos preliminares con un tiempo de duración de
aproximadamente 10 minutos, tiempo que demoró el intercambiador en alcanzar un valor
estable en la temperatura del combustible:
En la Tabla 3-3 también se observa la hora de inicio, el rango de variacion de la
temperatura y el número de muestras tomadas en cada experimento.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
61
Tabla 3-3. Experimentos realizados en las purificadoras de HFO.
Variable HTU/Purificadora Hora de inicio Duración Nº de muestras Rango (ºC) T1 3/2 9:30 am 10.16 min 122 78~120 T2 4/1 11:15 am 9.25 min 111 88~129 T3 2/1 12:45 pm 10.08 min 121 83~127
T4 1/1 2:22 pm 10.16 min 122 82~121
Los valores de temperatura obtenidos y el programa elaborado en Matlab para graficar
estas mediciones se muestran en el Anexo 3-1. Cabe destacar que las mediciones fueron
normalizadas restándoles el mínimo, con el fin de obtener un mismo punto de partida de
todas las curvas y así poder analizar el comportamiento con mayor facilidad.
Realizando un análisis visual de la respuesta obtenida en la Fig. 3-6. se puede concluir
que el sistema presenta un comportamiento dinámico propio de un modelo de primer
orden con retardo.
Fig. 3-6. Curvas obtenidas de los experimentos preliminares.
El tiempo donde se alcanza el nuevo estado estacionario es de 500 segundos, por lo que
siguiendo el criterio práctico de que el tiempo de muestreo debe ser 250 veces menor que
la duración del experimento, se decidió tomar un tiempo de muestreo de 2 segundos en la
realización de los experimentos de identificación.[Delgado, 2002].
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
62
3.4.1.2 Experimentos de identificación.
De forma exitosa se realizaron ocho experimentos de identificación siguiendo los mismos
pasos que en los experimentos preliminares, sólo que ahora, la adquisición de los datos se
hace con un período de muestreo de 2 segundos y un tiempo de duración de 7.5 min.; los
cuales persiguen el objetivo de obtener un conjunto de mediciones que permitan elaborar
el modelo del proceso. Ver Tabla 3-4.
Tabla 3-4. Experimentos realizados en las purificadoras de HFO.
Variable HTU/Purificadora Hora de inicio Duración Nº de muestras Rango (ºC) Ta 2/2 8:37 am 7.5 min 226 77~118 Tb 3/2 9:03 am 7.5 min 226 77~116 Tc 1/1 9:30 am 7.5 min 226 80~120 Td 4/2 10:05 am 7.5 min 226 82~123 Te 2/2 10:36 am 7.5 min 226 80~120 Tf 1/1 11:53 am 7.5 min 226 79~118 Tg 2/2 12:28 pm 7.5 min 226 84~125 Th 4/2 1:18 pm 7.5 min 226 96~135
Como se muestra en la Fig. 3-7, todas las mediciones realizadas presentan una variación
de temperatura entre 39 y 41 ºC, corroborándose la veracidad de los datos que nos brinda
el manual del fabricante. Se comprueba además, que el valor de la temperatura en el cual
se inició el experimento, no afecta la respuesta transitoria del sistema.
0 100 200 300 400 5000
5
10
15
20
25
30
35
40
45Gráfica de los experimentos de identificación
Tiempo (s)
Tem
pera
tura
(ºC
)
Ta
TbTc
Td
Te
TfTg
Th
Fig. 3-7. Curvas obtenidas de los experimentos de identificación.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
63
Es importante señalar que por razones tecnológicas no se realizó la medición del flujo de
vapor durante el experimento; por lo que se supone como estímulo un paso escalón ideal
que comienza en 0 hasta el valor de 1.2025 Kg/min, dicho valor resulta del cálculo de
consumo de vapor del intercambiador especificado en el manual.
En el Anexo 3-1 se muestran los valores obtenidos y los comandos empleados en Matlab
para visualizar el comportamiento del proceso de variación de temperatura en el
intercambiador de placas ante un paso escalón en el flujo de vapor.
3.4.2 Preprocesamiento de los datos.
De los ocho juegos de datos que se disponen, se selecciona el experimento que mejor
representa el proceso de variación de la temperatura del combustible en el intercambiador
de placas, tomando como criterio de selección, el mayor porciento de ajuste con respecto
a la curva promedio de los experimentos y teniendo en cuenta además, el promedio de los
errores que resultan de la diferencia entre las curvas experimentales y la curva promedio,
en cada instante de muestreo, en otras palabras se escoge la curva más próxima a la
curva promedio. La función elaborada en Matlab para determinar dicha curva se muestra
en el Anexo 3-2.
0 100 200 300 400 5000
5
10
15
20
25
30
35
40
45Gráfica de los experimentos de identificación y la curva promedio
Tiempo (s)
Tem
pera
tura
(ºC
)
TaTb
Tc
TdTeTfTg
ThPromedio
Fig. 3-7. Curvas experimentales y curva promedio.
En la Fig 3-7 se muestran las curvas experimentales y la curva promedio de estas,
obtenido mediante Matlab.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
64
En la Tabla 3-5, se muestran los porcientos de ajuste (% Fit), así como los valores del
promedio, la varianza y la desviación estándar de los errores de cada una de las curvas.
Tabla 3-5. Estadígrafos de los errores en cada instante de muestreo.
Ta Tb Tc Td Te Tf Tg Th % Fit 89.32 91.46 88.80 92.06 85.67 90.16 90.32 85.41
En la Tabla 3-11 se presentan las principales características del JCV-EP11 de JOKWANG:
Tabla 3-11. Especificaciones técnicas del posicionador JCV-EP11. [JOKWANG, 2008].
Características Señal de entrada 4~20 mA DC. Resistencia de entrada 235 ± 15 Ω Presión de aire suminstrado Max. 0.7MPa
Conexión PT1/4 (NPT 1/4) Características de la salida Lineal Linealidad ± 1.0 % F.S Histeresis 0.5 % F.S
Repetibilidad ± 0.5 % F.S
Material Aluminio Peso 2.9 Kg
El posicionador electro-neumático JCV-EP11 recibe la señal de control del PLC (4~20 mA)
y regula la presión de aire para operar la válvula de control entre el 14 y el 70% del
desplazamiento total de la válvula, lo cual es aceptable considerando que para alargar el
tiempo de explotación de la válvula, la posición del vástago no debe variar. Además es
perfectamente realizable ya que la línea de aire del HTU tiene una presión de 0.9 MPa.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
84
3.9. Parametrización del controlador de temperatura en el PLC.
La librería "Standard Library/PID Control" de Step7, tiene dos reguladores de temperatura:
1. FB 58 "TCONT_CP": Regulador de temperatura para actuadores con señal de
entrada continua o en forma de impulso. Este bloque de regulación contiene
también una función de optimización automática para los parámetros PI/PID.
2. FB 59 "TCONT_S": Regulador discontinuo de temperatura para actuadores de
acción integral, como por ejemplo: un servomotor.
Los bloques de función (FB), suponen una simple regulación de software, es decir, un
bloque contiene todas las funciones del regulador, cuyos parámetros de ajuste se
depositan en el bloque de datos (DB) correspondiente. De esta forma, es posible llamar
varias veces los FB de regulación PID de temperatura. [SIEMENS, 2003].
El algoritmo PID trabaja en el algoritmo de posición. Las acciones proporcional, integral
(INT) y derivativa (DIF) están conectadas en paralelo y pueden activarse y desactivarse
por separado, de este modo se pueden parametrizar reguladores P, PI, PD y PID.
Para la parametrización del regulador del calentador de fuel oil se utiliza el FB 58 debido a
que la señal manipulada que actúa sobre el posicionador electro-neumático de la válvula
debe ser es continua. La Fig. 3-21 presenta una llamada del regulador en formato KOP:
Fig 3-21 Bloque PID para el control de temperatura.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
85
El FB TCONT_CP se debe llamar de forma equidistante. Para ello, se utiliza un nivel de
alarmas cíclicas, por ejemplo el OB35. En la Tabla 3-12 se encuentran los parámetros más
importantes para interconectar el bloque con las magnitudes de proceso:
Tabla 3-12. Parámetros del bloque regulador de temperatura. [SIEMENS, 2003].
Direc. Parámetro Declaración Tipos de datos
Descripción
0.0 PV_IN INPUT REAL Entrada de valor real. En la entrada "Entrada de valor real" se puede parametrizar un valor de puesta en servicio, o se puede conectar un valor real externo en coma flotante.
14.0 PV OUTPUT REAL Valor real. En la salida "Valor real" se emite el valor real que actúa realmente.
18.0 LMN OUTPUT REAL Valor manipulado En la salida "Valor manipulado" se emite en formato de coma flotante el valor manipulado que actúa realmente.
26.0
CYCLE [seg.]
INPUT/ OUTPUT
REAL
Tiempo de muestreo del regulador continuo Valor predeterminado del tiempo de muestreo para el algoritmo PID. El optimizador calcula el tiempo de muestreo en la fase 1 y lo introduce en CYCLE.
34.0 SP_INT
INPUT/ OUTPUT
REAL
Consigna interna. La entrada "Consigna interna" sirve para preseleccionar una consigna.
38.0
MAN INPUT/ OUTPUT
REAL
Valor manual La entrada "Valor manual" sirve para predeterminar un valor manual. En modo Automático, se corrige según el valor manipulado.
El valor de consigna se introduce en la entrada SP_INT en coma flotante sea de física o
en porcentajes. El valor de consigna y el valor real PV_IN deben indicarse con la misma
unidad para la formación del error de regulación.
El valor manipulado LMN se restringe a los límites de valor manipulado, como se muestra
en la Fig. 3-22. Si se limita el valor manipulado, la acción I se detiene; en caso de un error
de regulación que mueva la acción I hacia el margen de corrección interno, se volverá a
habilitar la acción I.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
86
El tiempo de muestreo CYCLE del regulador no debe exceder el 10 % del tiempo de
acción integral calculado del regulador (TI): CYCLE ≤ TI/10. [SIEMENS, 2003].
En la Fig. 3-22 se muestran también los parámetros del regulador PI para el control de la
temperatura del combustible a la salida del calentador de fuel oil para las separadoras
centrífugas SJ-G series en los HTU de los grupos electrógenos HYUNDAI de 1.7 MW.
Fig. 3-22 DB58 asociado al regulador de temperatura continuo.
Capítulo 4
Instrumentación del sistema de purificación de
los Grupos Electrógenos HYUNDAI de 1.7 MW.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
88
El propósito principal de todo sistema de control es asegurar una correlación estrecha
entre la magnitud de la salida del sistema y el valor deseado de esa salida. No son pocos
los esfuerzos que se realizan para obtener la configuración más adecuada de un sistema
de control para un proceso en particular, sin embargo, la eficiencia de los resultados de
esa configuración dependen de cómo el sistema percibe la variable del proceso.
La calidad de la medición es uno de los elementos fundamentales durante el diseño y
ejecución de un sistema de control. La medición, como proceso, es un conjunto de actos
experimentales dirigidos a determinar una magnitud física de modo cuantitativo,
empleando los medios técnicos apropiados y en el que existe al menos un acto de
observación [Cartaya, 1982].
Una medición se expresa por medio de una cantidad numérica y la unidad de medida
correspondiente a la magnitud dada. A cada magnitud le corresponden una o varias
unidades. En la actualidad es casi universalmente aceptado el Sistema Internacional de
Unidades, que a partir de siete magnitudes fundamentales, deriva el conjunto conocido de
unidades que expresan los valores de todas las magnitudes empleadas para caracterizar
las propiedades de los objetos y fenómenos de la naturaleza.
Todo acto de medición es esencialmente inexacto y los valores obtenidos, son números
aproximados. El verdadero propósito de una medición es, el de obtener una aproximación
al valor verdadero, que se denomina valor medido. Como resultado de la medición, sólo
podrá expresarse un mejor valor y la incertidumbre dentro de la cual es probable que se
encuentre el valor verdadero.
4.1 Instrumentación del sistema de purificación en el HTU.
Hoy en día es inimaginable la industria moderna sin una compleja interacción de
numerosos sistemas, en los cuales, los instrumentos de medición desempeñan un papel
primordial. La unidad de tratamiento de combustible pesado de los grupos electrógenos no
está exenta de este planteamiento, diferentes instrumentos de medición forman parte de
un sistema de control complejo diseñado para la purificación de fuel oil y el aceite
lubricante de los motores que generan la energía eléctrica.
Se realiza este levantamiento instrumental debido a la falta de información existente en los
manuales del fabricante, detallando las principales características y especificaciones
técnicas de estos instrumentos.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
89
En la tabla 4-1 se resumen las principales especificaciones técnicas de la instrumentación
existente en la etapa de purificación correspondiente a un HTU de una batería de los
grupos electrógenos de fuel oil de HYUNDAI:
Tabla 4-1 Principales especificaciones técnicas de los instrumentos de medición.
Descripción Cdad. Modelo Rango Set point Exactitud SWITCH
Switch de nivel del tanque de lodo para HFO/LO. 1
RLS- 42A2S-
WT - H, L
SENSORES Sensor de presión para la función LM en las purificadoras de HFO/LO.
6 KM10 0~500 KPa 150 KPa 3 %
Sensor de presión para la función WD en la purificadora de HFO.
2 KM10 0~400 KPa 100 KPa 3 %
Transmisor de temperatura a la salida de HFO/LO del calentador.
3 Pt100 0~ 200 ºC 98 ºC 0.4
TERMÓMETROS Temperatura de entrada del HFO al calentador. 2 R52.080 0~100 ºC 60 ºC 1
Temperatura de salida del HFO al calentador. 2 A52.080 0~160 ºC 98 ºC 2
Temperatura de entrada del LO al calentador. 1 R52.080 0~100 ºC 40 ºC 1
Temperatura de salida del LO al calentador. 1 A52.080 0~160 ºC 90 ºC 2
MANÓMETROS Presión en la entrada de la bomba de HFO/LO. 3 232.50 -100~500 KPa -26.66 KPa 1.6
Presión en la salida de la bomba de HFO/LO. 3 232.50 0~400 KPa 100 KPa 1.6
Presión en la entrada de la bomba de lodos. 1 232.50 -100~500 KPa -0.1~0 Mpa 1.6
Presión en la salida de la bomba de lodos. 1 232.50 0~400 KPa 0-0.2 Mpa 1.6
Presión en la línea de recirculación. 2 GV50-173 0~400 KPa 100 KPa 1.5
Presión en la entrada de HFO/LO. 3 GV50-173 0~200 KPa 50 KPa 1.5
Presión en la salida de HFO/LO. 3 GV50-173 0~400 KPa 150 KPa 1.5
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90
4.1.1 Switch de nivel.
Del proceso de purificación se obtienen por separado combustible, agua y lodos; estos
últimos se depositan en un tanque de acumulación de lodos que se encuentra en la parte
inferior del HTU. En este tanque contamos con un switch de nivel de tipo flotante, modelo
RLS-42A2S-WT, mostrado en la Fig.4-1, el cual consta de un flotador que sigue el nivel
del líquido, un imán permanente montado en dicho flotador y un interruptor encapsulado
dentro de la tubería guía. El imán activa el interruptor cuando ambos alcanzan el mismo
nivel enviando una señal para accionar alarmas o circuitos controladores.
Fig. 4-1. Switch de nivel de tipo flotante RLS-42A2S-WT.
Este sensor permite la activación de la bomba de extracción de lodos cuando el nivel en el
tanque de acumulación llega al punto prefijado por los operarios. Cabe destacar, que este
tope debe tener cierta holgura con respecto al borde superior del tanque, que permita a la
bomba vaciar el depósito mientras las purificadoras hacen sus descargas continuas sin
que el tanque se desborde. En la Tabla 4-2 se muestran las especificaciones técnicas.
Tabla 4-2. Características del switch de nivel RLS-42A2S-WT. [HANKUK, 2008].
Parámetro Argumentación Variable medida Nivel Conexión Parte superior tipo brida Montaje de brida JIS5K-100A (4 in) Máx. presión 0.10 MPa Máx. temperatura de operación 100 ºC Tipo de función Alarma Tamaño del flotador ø50x45L Material del flotador SUS 316 Fabricante Miboo
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91
4.1.2 Transductores de presión relativa.
El transmisor de presión KM10 (ver Fig. 4-2), se encuentra midiendo la presión del
combustible y bajo severas condiciones de trabajo; lo cual es permisible ya que la unidad
es altamente durable y estable.
Fig. 4-2. Transmisor de presión modelo KM10.
En las purificadoras de HFO y de LO contamos con seis trasmisores de presión en las
tuberías de entrada y salida del combustible de la purificadora. La función que realizan en
esos puntos es transmitir continuamente el valor de presión, esta señal es enviada al
multimonitor de la purificadora, el cual ante una caída brusca de presión entre ambas
tomas, activa una alarma de fuga del combustible en el proceso de purificación.
Otros dos sensores se encuentran en la tubería de recirculación de las purificadoras de
HFO, para la detección de agua en el combustible, en caso de que trabajen como
clarificadoras. Cabe señalar que el modelo GBC-1 no presenta esta función. Las
especificaciones técnicas de este instrumento se muestran en la Tabla 4-3.
Tabla 4-3. Características de los trasmisores de presión KM10. [ASHCROFT, 2008].
Parámetro Argumentación Variable medida Presión Rango de presión 0 a 500 KPa Exactitud ±3% a máxima escala Alimentación 5V ± 0.5 Vdc Señal de salida 0.5~4.5 Vdc Histéresis ≤ 0.05% Temperatura de trabajo -40°C a 120°C Peso 60 g Fabricante Nagano Keiki Período de calibración 1 año. Ver instrucciones en el epígrafe 4.2.2.
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92
4.1.3 Transmisor de temperatura Pt100 a la salida de los calentadores de HFO/LO.
En la tubería de salida del combustible del calentador se cuenta con una Pt100 que
transmite el valor de la temperatura que tiene el fluido hacia el Panel de control de la
purificadora Este valor se compara con los parámetros prefijados, con el objetivo de enviar
una señal que emita una alarma por baja o alta temperatura del combustible.
Esta medición tiene una vital importancia en el comienzo del proceso de purificación, ya
que si el fluido no tiene la temperatura adecuada, puede producirse fuga del combustible.
Fig. 4-3. Transmisor de temperatura Pt100.
Su principio de funcionamiento consiste en que la resistencia eléctrica de metales puros
aumenta su valor (ohmeaje) con el aumento de la temperatura, en algunos casos de forma
muy precisa y casi lineal. Para medir la variación de resistencia, en el detector se usan
variantes de circuitos basados en el puente de Wheatstone. Generalmente están
protegidos por vainas protectoras o termopozos. En la Tabla 4-4 se presentan las
especificaciones técnicas de esta PT100.
Tabla 4-4. Características de los transmisores de temperatura Pt100. [HYUNDAI, 2006].
Parámetro Argumentación Variable medida Temperatura. Material Platino Diámetro 10 mm Rango de medición 0 ~ 200 ºC Sensibilidad 0.385 ohmios/ºC Precisión 0.2 % Largo del termopozo 100 mm. Período de calibración 1 año. Ver instrucciones en el epígrafe 4.2.3.
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93
4.1.4 Termómetros bimetálicos en el calentador.
Los termómetros bimetálicos de carátula modelo 52 del fabricante Wika, mostrado en la
Fig. 4-4, se encuentran en la entrada y en la salida de HFO/LO de los intercambiadores de
calor que acompañan a las purificadoras. Este termómetro se basa en la contracción y
expansión de dos diferentes aleaciones metálicas en forma de espiral, de alto y bajo
coeficiente de dilatación. Estas aleaciones al ser expuestas a una misma temperatura
producen un movimiento giratorio debido a la diferencia en la sensibilidad térmica, el cual
se transmite a la aguja indicadora de la escala graduada en la carátula, expresando así, el
valor de temperatura al que fueron sometidas. [Pantuso, 1988].
Fig. 4-4. Termómetro bimetálico tipo 52. Estos termómetros brindan una indicación local del valor de temperatura que le permite al
operador comprobar el correcto funcionamiento del intercambiador de calor y dar la puesta
en marcha del proceso de purificación. En la Tabla 4-5 se exponen las principales
especificaciones técnicas de este instrumento.
Tabla 4-5. Características de los termómetros bimetálicos tipo 52 de WIKA. [WIKA, 2008].
Parámetro Argumentación Variable medida Temperatura. Aguja Aluminio, negra y micrométrica. Elemento de medición Espiral bimetálica helicoidal. Diámetro de la carátula 80 mm. Máx. presión de trabajo 0.25 MPa Tipo de conexión A52.080 axial. R52.080 radial. Rango de medición 0 ~160 ºC 0 ~100 ºC Campo de medida 20 ~140 ºC 10 ~90 ºC Peso 200 g. 270 g. Fabricante, año Wika, 2004 Período de calibración 1 año. Ver instrucciones en el epígrafe 4.2.3.
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94
4.1.5 Manómetros de deformación elástica de carátula.
Dentro del levantamiento instrumental se hallan manómetros de tubo bourdon tipo C,
modelo 232.50 del fabricante WIKA, ver Fig. 4-5; los cuales están formados por un tubo de
sección elíptica que forma un anillo casi completo cerrado por un extremo y conectado a la
fuente de presión por el otro. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste se
endereza, provocando un movimiento que es captado por una aguja indicadora colocada
en el extremo cerrado del tubo. [Pantuso, 1988].
Fig. 4-5. Manómetro de carátula modelo 232.50.
Como se observa en la figura 4-5 el dial es bastante pronunciado, lo que lo hace ideal para
aplicaciones que sea necesario ser leídos desde lejos, son de acero inoxidable y ofrecen
una protección ante la corrosión. Los indicadores de presión de este tipo están distribuidos
en las entradas y salidas de las bombas de succión y en la bomba del tanque de lodos. En
la Tabla 4-6 se muestran las características técnicas de estos indicadores de presión.
Tabla 4-6. Características de los indicadores de presión 232.50 de WIKA. [WIKA, 2008].
Parámetro Argumentación Variable medida Presión Rango de medición 0 ~ 400 KPa Elemento de medición tubo bourdon tipo C Diámetro de la carátula 63 mm Clase de exactitud 1.6% a máxima escala Entrada de presión Axial.
Radial. Peso 160 g. Material Acero inoxidable 316L Fabricante, año Wika, 2007 Período de calibración 1 año. Ver instrucciones en el epígrafe 4.2.1.
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95
También entre los manómetros de deformación elástica se encuentra un indicador de
presión del fabricante Sigma, el manómetro de carátula modelo GV-50, mostrado en la Fig.
4-6; el cual está situado en la línea de recirculación de HFO y en las tuberías de entrada y
salida de HFO/LO a las purificadoras. La Tabla 4-7 muestra sus principales características.
En el HTU de cada unidad de los grupos electrógenos existen dos purificadoras de fuel oil
y una de aceite por lo que existen ocho indicadores de este tipo, ya que el modelo de las
purificadoras de aceite lubricante no tiene la tubería de recirculación.
Fig. 4-6. Manómetro de carátula modelo GV50-173.
El principio de funcionamiento de estos manómetros de tubo Bourdon es exactamente
igual al del manómetro de carátula modelo 232.50, explicado con anterioridad.
Tabla 4-7. Características del manómetro modelo GV50-173. [NAGANO, 2008].
Parámetro Argumentación Variable medida Presión Rango de medición 0 ~ 400 KPa Clase de exactitud ± 1.5% a máxima escala Diámetro de la carátula 70 mm Líquido de relleno Glicerina Elemento de medición tubo Bourdon Entrada de presión Tipo A radial Conexión R1/4 in (PT) Fabricante Sigma Período de calibración 1 año. Ver instrucciones en el epígrafe 4.2.1.
El conocimiento de las principales características de los instrumentos no basta para
obtener las mediciones adecuadas, existe la necesidad de realizar verificaciones
periódicas de los elementos de medición para poder corregir estas mediciones y lograr
una mejor calidad del producto final.
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4.2 Calibración.
En el epígrafe anterior se describieron en algún detalle las características estáticas de los
instrumentos medidores. Sin embargo, ha sido omitido un aspecto importante y es que un
instrumento sólo se corresponde con los patrones estáticos indicados después de que
haya sido calibrado.
Generalmente puede asumirse que un instrumento nuevo habrá sido calibrado por su
fabricante y por consiguiente, en sus inicios se comportará según las características
indicadas en las especificaciones técnicas. Durante el uso y por varias razones, su
comportamiento divergirá gradualmente de las especificaciones declaradas. Tales razones
incluyen desgaste mecánico, los efectos de suciedad, polvo, humazón y los cambios de
temperatura en el ambiente operativo.
La tasa de divergencia de las especificaciones iniciales difiere según el tipo de instrumento,
la frecuencia de uso y la severidad de las condiciones operativas. Cuando las
características del instrumento habrán ido a la deriva de la especificación modelo por una
cantidad inaceptable se hace necesario recalibrar el instrumento para dichas
especificaciones. La instrumentación que se instala en los procesos tecnológicos debe ser
revisada sistemáticamente y si los errores están por encima de la clase de precisión, se
ajusta y calibran.
La calibración es el procedimiento metrológico que permite ajustar el instrumento en cada
punto de su rango de medición, hasta que sus lecturas de salida equivalen a un segundo
instrumento (patrón) de exactitud superior, para el cual las mismas entradas son ejercidas.
Este segundo instrumento es mantenido solamente para la calibración y sus
especificaciones son exactamente conocidas. [INDECOPI, 2008].
Este procedimiento puede repetirse tantas veces como sea necesario para determinar con
la mayor precisión posible, el valor de los errores de los instrumentos de medición. Es un
proceso complejo y el personal que lo realice debe encontrarse adecuadamente entrenado
en la actividad, para garantizar la excelencia de los resultados. La periodicidad de la
calibración depende de las magnitudes y de las especificaciones de los instrumentos
descritas por los fabricantes y de las normas vigentes en el país.
Es de suma importancia, a pesar de que es subestimado por tecnólogos y otro personal en
la industria, después de realizado un mantenimiento general a los instrumentos o después
de un largo período de almacenamiento se hace necesaria su calibración.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
97
4.2.1 Procedimientos para la calibración de manómetros de deformación elástica.
Esta instrucción establece los métodos y los medios para la calibración de manómetros de
deformación elástica con rango de medición comprendido entre –0,1 y 60 MPa (-1 y 600
Kgf/ cm2) de clase desde 1,5 hasta 4; según lo establecido en la I-P.96.22 de la INEL y las
Disposiciones para la supervisión metrológica de la Oficina Nacional de Normalización.
Condiciones y preparación para la calibración.
o La temperatura ambiental del lugar donde se realice la calibración será de (23 ± 5)
ºC y durante la calibración la temperatura ambiental no debe variar mas de 3ºC
para estos instrumentos.
o La humedad relativa máxima permisible en el lugar donde se realice la calibración
será 80%.
o Antes de la calibración el instrumento se mantendrá sin trabajar y a la temperatura
establecida para la calibración durante 6 horas como mínimo.
o El dispositivo empleado para la creación de presión garantizará aumentar y
disminuir la presión de forma continua, así como permitir la permanencia en cada
punto en que se desee mantener el valor de la presión producida.
o El patrón empleado para la calibración tendrá 0,4 % de clase de exactitud y su
límite superior de medición será igual o mayor que la máxima presión de entrada
del instrumento de medición bajo prueba (IMBP), las mediciones deberán realizarse
dentro de las ¾ partes de la escala del patrón.
o En el lugar de la calibración no habrá vibraciones ni sacudidas que puedan
provocar oscilaciones de la aguja indicadora que excedan de 0,1 divisiones de la
escala.
o Cuando la calibración se realice con patrones de deformación elástica se utilizará el
medio de trabajo que se indique en el instrumento; en caso de que no se señale en
la esfera del instrumento el medio de trabajo empleado para la transmisión de la
presión, se utilizará como medio:
Aire o gas neutro para los instrumentos con límite superior de medición hasta
0,4 MPa (4 Kgf/cm2) de clase 0,4 y para los instrumentos con límite superior
hasta 0,25 MPa (2,5 Kgf/cm2) para las clases de precisión restantes.
Líquido no agresivo para los instrumentos con límite superior de medición
mayor que lo establecido en el párrafo anterior.
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98
Examen exterior.
En el examen exterior se comprueba que:
o Las partes metálicas de los instrumentos no presentan daños mecánicos y están
protegidas contra la corrosión.
o El vidrio u otro material transparente del dispositivo protector de la escala sea
transparente y libre de suciedad y defectos que dificulten o impidan la lectura de las
indicaciones.
o Los trazos de la escala sean nítidos y fácilmente legibles.
o El instrumento posea las marcas que como mínimo permitan diferenciar el
instrumento de medición presentado a la calibración de otro similar e indique sus
características metrológicas.
o Toda aguja de indicación o señalización que posea el instrumento, cubra solamente
una parte de los trazos de la escala, de manera que disminuya la introducción de
errores de paralaje en la lectura.
Comprobación de los parámetros metrológicos.
La comprobación de la indicación correspondiente a la posición cero de la aguja se
ejecutará con el instrumento en su posición de trabajo y sometido solamente a la presión
atmosférica.
En los instrumentos que posean dispositivo corrector de la indicación cero, este
mecanismo permitirá el ajuste de la aguja en esta posición.
En los instrumentos que posean elemento de tope de la posición de indicación cero, la
aguja estará en contacto con dicho elemento. En ausencia del tope, la desviación máxima
permisible de la aguja del instrumento en la posición correspondiente a la indicación cero
será igual al valor del error absoluto máximo permisible del instrumento.
Para la comprobación de la hermeticidad el instrumento que se calibra se conecta al
dispositivo de creación de presión y se crea en el sistema una sobrepresión o depresión
según se requiera, igual al límite superior de medición del instrumento que se calibra.
Si después de transcurridos 2 min., la indicación no varía en más del 1% del límite
superior de medición, el instrumento se considera hermético.
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99
Comprobar los errores de indicación.
o La lectura de las indicaciones de los instrumentos se realizará como mínimo en:
- 5 puntos, para los instrumentos de clase entre 1 y 2,5 ambas inclusive.
- 3 puntos, para los instrumentos de clase 4.
Estos puntos tendrán una distribución lo más uniforme posible en todo el intervalo de
medición e incluirán los límites de medición del instrumento.
o La lectura de las indicaciones se realizará sin introducir error de paralaje. La
posición de la aguja del instrumento entre dos divisiones se determina por
apreciación. Esta apreciación debe realizarse a 1/10 ó 1/5 del valor de división de la
escala.
o La lectura de las indicaciones se realizará en ascenso de la presión para cada
punto de calibración seleccionado, manteniéndose durante 5 min. como mínimo a la
presión correspondiente al límite superior de medición del instrumento, después de
lo cual se realizarán las lecturas en descenso de la presión para los mismos puntos.
Notas:
1- Cuando la calibración se realice con manómetros patrones de deformación elástica,
durante el tiempo de mantenimiento de la presión correspondiente al límite superior de
medición, estos se descargan disminuyéndose la presión como mínimo hasta el 10% de
su límite superior de medición.
2- El movimiento de la aguja, tanto en marcha ascendente como descendente se realizará
sin atascamiento ni saltos y sin rozar la esfera, vidrio u otras agujas.
o El error absoluto máximo permisible de indicación, para cualquier valor de presión
tanto en ascenso como en descenso será: ∆.
± ∆ Para los instrumentos que se encuentran en uso o almacenado
± 0,8 Para los instrumentos acabados de producir, importar o reparar
Este error se calcula por la fórmula siguiente:
∆ = ± LM * C
100
Donde: ∆: Valor del error absoluto máximo permisible del instrumento
LM: Diferencia algebraica entre los límites de la escala del instrumento
C: Clase de precisión del instrumento
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
100
Nota: En los instrumentos que no tengan señalada su clase de precisión su error absoluto
máximo permisible se considerará igual al valor de división de la escala.
o La diferencia entre las indicaciones en ascenso y descenso de la presión, para un
mismo punto calibrado, no excederá de ± ∆.
o Los valores de indicación serán obtenidos después de golpear suavemente, con la
mano el instrumento. La desviación de la indicación producida por el golpe en
ninguna de las observaciones realizadas podrá exceder de ± ∆.
o En los instrumentos cuyo mecanismo de transmisión se encuentre inmerso en
líquido este deberá cubrir completamente los trazos de la escala de manera de no
introducir errores en la lectura por defectos de reflexión, refracción o transparencia.
o Todas las comprobaciones de las indicaciones de estos instrumentos se realizarán
asegurando que el líquido se encuentre sometido solamente a la presión
atmosférica.
Los resultados de la comprobación de los parámetros metrológicos se registran en la
planilla de calibración que se muestra en el Anexo 2-1.
4.2.2 Procedimientos para la calibración de transductores de presión relativa.
Esta instrucción establece los métodos y los medios para la calibración de los
transductores o transmisores de presión relativa con rango de medición comprendido entre
0 y 20 MPa (0 y 200 bar), sin diseño de ajuste alguno, con corrientes de salida entre 4 y 20
mA y clases de exactitud comprendidas entre 1,5 y 4 en todo el campo de medida; según
lo establecido en la instrucción normalizativa NC 021-07-98 de la INIMET y las
Disposiciones para la supervisión metrológica de la Oficina Nacional de Normalización.
Condiciones y preparación para la calibración.
o La temperatura ambiente del lugar donde se realice la calibración será de 20 ± 5 ºC.
o La humedad relativa máxima permisible en el lugar donde se realice la calibración
será de 60 ± 20%.
o Antes de la calibración el instrumento se mantendrá sin trabajar y a la temperatura
de establecida para la calibración durante 6 horas como mínimo.
o El dispositivo empleado para la creación de presión garantizará aumentar y
disminuir la presión de forma continua, así como permitir la permanencia en cada
punto en que se desee mantener el valor de la presión producida.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
101
o El patrón empleado para la calibración tendrá 0,4 % de clase de exactitud y su
límite superior de medición será igual o mayor que la máxima presión de entrada
del instrumento de medición bajo prueba (IMBP), las mediciones deberán realizarse
dentro de las ¾ partes de la escala del patrón.
Examen exterior.
En el examen exterior se comprueba que:
o Las partes metálicas de los instrumentos no presentan daños mecánicos y están
protegidas contra la corrosión.
o No se encuentren dañados los cables que permiten la transmisión de la señal de
salida a grandes distancias.
Comprobación de los parámetros metrológicos.
o El instrumento de medición bajo prueba indica el valor nulo de presión relativa
cuando el mismo se encuentra únicamente bajo el efecto de la presión atmosférica.
o Para la comprobación de la hermeticidad el instrumento que se calibra se conecta
al dispositivo de creación de presión y se crea en el sistema una sobrepresión o
depresión según se requiera, igual al límite superior de medición del instrumento
que se calibra. Si después de transcurridos 3 min. la indicación no varía en más del
2% del límite superior de medición, el instrumento se considera hermético.
Comprobar los errores de indicación.
o Conectar el dispositivo a calibrar en un circuito similar al siguiente:
A= Amperímetro.
R= Resistencia (150 Ω).
T= Transductor bajo prueba.
Fig. 4-7 Circuito de conexión del transductor de presión relativa.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
102
La resistencia que se conecta en paralelo al amperímetro, generalmente es especificada
por el dispositivo (150 Ω); su función es la de Shuntear el amperímetro y facilitar las
mediciones al tener el mismo una resistencia tan grande.
o Una vez instalado el transductor se escogen convenientemente los puntos a calibrar,
de forma que el 20, 40, 60, 80 y 100% del límite máximo de presión del dispositivo
sean comparados con el patrón directamente.
o Se tomaran las indicaciones del instrumento de medición bajo prueba (IMBP) en
mA en ascenso y descenso de la presión.
o Es posible calcular el error en cada punto como la diferencia entre los valores de
corriente leídos directamente en el miliamperímetro y los valores convencionales
verdaderos calculados indirectamente a través de los valores de presión que indica
el patrón (Y).
o Estos valores de corriente (Y) deberán tener un comportamiento lineal con la
presión (X). Es por ello que si nuestro patrón de presión relativa fuese un
“Transductor Patrón”, los valores convencionales verdaderos de corriente podrían
ser calculados a través de la ecuación:
Y = m* X + n
Donde:
Y = son los valores convencionales verdaderos de corriente del “Transductor
Patrón”.
X = son los valores de presión indicados por el patrón.
n = es el intercepto de la recta con el eje de las corrientes (4 mA).
m = pendiente de la recta.
Como conocemos el valor final de presión (X2) que idealmente se corresponde con el valor
final de corriente (Y2), es posible calcular la pendiente (m) de la recta así:
m = (Y2 – n) / X2
o Dada la clase de exactitud (CE) de este tipo de transductores, se pueden llegar a
conocer los errores máximos permisibles (EMP) para cada valor de corriente (Y)
comparados como:
EMP = (Y * CE) / 100
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
103
o Para que el trasductor cumpla con la clase de exactitud declarada es necesario que
los errores calculados en cada uno de los puntos comparados sean menores o
iguales al EMP. Es necesario además, que la diferencia de las indicaciones del
instrumento de medición bajo prueba (Indicación en ascenso y en descenso) sean
menores que el EMP.
Los resultados de la comprobación de los parámetros metrológicos se registran en la
planilla de calibración que se muestra en el Anexo 2-2.
4.2.3 Procedimientos para la calibración de los termómetros bimetálicos y RTD
Esta instrucción establece los métodos y los medios para la calibración de los termómetros
bimetálicos de carátula y RTD con rango de medición de -20 a 300 ºC utilizando el método
de comparación; según lo establecido en las instrucciones de la INEL y la norma mexicana
NMX-CH-70-1993-SCFI para la calibración de los termómetros bimetálicos de carátula.
Calibración por comparación
Este método consiste en comparar las lecturas del termómetro bajo prueba contra las
lecturas de un termómetro patrón cuando ambos están inmersos en un medio isotérmico,
es decir, un medio donde se crea una zona de temperatura estable y uniforme, en la que
se localizan los termómetros. Los medios isotérmicos más habituales son:
o Bloques secos.
o Baño de hielo.
o Baño de líquidos.
Medios de calibración
Para la calibración contemplada en esta instrucción serán necesarios los siguientes
equipos y materiales:
o Termómetro patrón, con clase de exactitud y alcance de medición superior a la del
termómetro a probar.
o Indicador para el instrumento de medición patrón.
o Indicador para el instrumento de medición bajo prueba (solo en caso de ser
necesario).
o Fuente de temperatura controlada con funcionamiento en el rango de calibración
del termómetro.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
104
o Medidores de las condiciones ambientales del laboratorio (temperatura y humedad)
adecuados para el rango de temperatura y humedad a las que se encuentra
habitualmente el laboratorio.
Condiciones de calibración
o El termómetro a calibrar debe ser inspeccionado con detalle, para comprobar si
existen problemas de; limpieza, roturas, perforaciones, etc.
o El baño de temperatura, con las soluciones apropiadas para altas y bajas
temperaturas, deben ponerse a la menor temperatura de prueba, siendo esta,
constante y homogénea.
o Se calibrará el termómetro en los puntos elegidos que cubran el rango de utilización
del termómetro y que estén distribuidos lo más uniformemente posible. Conviene
incluir el 80% del campo de medida del sensor y dentro de lo posible; el punto
mínimo y máximo del rango de utilización.
o Se debe procurar que ni el patrón, ni el termómetro a calibrar toquen el fondo o las
paredes del baño y deben encontrarse dentro de la zona estable del medio
isotérmico.
Método de realización Se preparará un baño de hielo de forma que se aproxime lo más posible a su valor teórico
de 0 ºC, para la realización del punto de hielo se seguirán las siguientes instrucciones:
o Se utiliza un recipiente de profundidad adecuada y aislado térmicamente. El hielo
se preparará con agua, de ser posible en forma de escamas y en caso de no poder
disponer del hielo en esta forma, deberá ser triturado hasta alcanzar gránulos de un
tamaño inferior a 0,5 cm.
o Se llenará el vaso procurando no tocar el hielo con las manos, para lo cual puede
utilizarse una cuchara. Posteriormente se añadirá la mínima cantidad de agua
preenfriada, suficiente para que el hielo adquiera un aspecto traslúcido y se agitará
el punto del hielo con el objetivo de uniformizarlo, usando una varilla de vidrio.
Idealmente deberá haber en el vaso tanto hielo como sea posible, con los espacios
intermedios entre los gránulos de hielo llenos de agua.
o Debido a que el hielo flota, se producirá una acumulación de agua en el fondo del
vaso, para evitarlo deberá retirarse esta y añadir hielo para mantener la uniformidad.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
105
o Antes de utilizar el baño de hielo es conveniente esperar 5 ó 10 min para que toda
la mezcla alcance una temperatura constante.
Luego se depositan el termómetro a calibrar y el patrón lo más cercanos posible y en el
centro del baño, lo que permite disminuir la incertidumbre que causa la falta de
uniformidad del medio isotérmico; se espera durante 5 minutos a que se estabilice la
temperatura en ambos termómetros. En el caso de los termómetros de carátula se
recomienda golpear ligeramente el protector transparente, con el fin de eliminar los errores
por fricción del mecanismo de indicación. La inmersión de los termómetros será como
mínimo de 5 cm.
Se comienza la calibración en el punto de temperatura más bajo, efectuando 6 lecturas en
puntos de temperatura crecientes y pasando por el 15, 30, 45, 60, 75 y 90% de la escala
del instrumento de medición bajo prueba.
Los resultados de la calibración por comparación de un termómetro, consiste en calcular la
corrección (C) del termómetro que se calibra. Para cada punto de calibración se anotaran
los siguientes datos, según la planilla del Anexo 2-3.
o Los valores en grados Celsius que indica el patrón.
o Los valores en grados Celsius que indica el termómetro a calibrar.
o La corrección de la medición (C) se calcula mediante la ecuación 4.1, despreciando
las correcciones de temperaturas de uniformidad y estabilidad del baño de
calibración:
tctpC −= (4.1)
donde:
tp= la temperatura que indica el termómetro patrón.
tc= la temperatura que indica el termómetro a calibrar.
Incertidumbre de la corrección.
Para calcular la incertidumbre de la corrección del termómetro a calibrar u(C), se aplica la
ley de propagación de incertidumbre, como se muestra en la ecuación 4.2.
2 2 2 2 2 2 2
, ,( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )c c res c h p unif estu C u t u c u c u t u c u c= + + + + + (4.2)
los términos en la ecuación 4.2 son descritos en la Tabla 4-8.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
106
Tabla 4-8. Definición de los términos de la ecuación 4.2.
Términos Definiciones u(tc), u(tp) Incertidumbre de lectura del termómetro a calibrar y del patrón
respectivamente. Como se hacen medidas estadísticamente significativas en cada punto de calibración, no se puede considerar esta contribución.
u(cc, res) Incertidumbre de Resolución del termómetro, que corresponde a la
resolución del equipo de lectura dividida por 3 . u(cc, h) Incertidumbre por Histéresis del termómetro, que corresponde al rango
máximo del valor dividida por 3 . u(cunif), u(cest) Incertidumbre debido a la falta de uniformidad o estabilidad del baño de
calibración, se calculan a partir de pruebas experimentales realizadas en el Laboratorio o datos del fabricante.
Calculo final de la incertidumbre
Se considera que la Incertidumbre Estándar Combinada responde a una Distribución
Normal, por lo que la incertidumbre obtenida en la ecuación 4.2 se multiplicará por un
factor k = 2 que supone una probabilidad del 95%.
Interpretación de los resultados.
Si se detecta que alguna de las correcciones obtenidas en los puntos de calibración es
significativamente más alta que en el resto, conviene repetir la medición en dicho punto de
calibración.
Las correcciones obtenidas, con su incertidumbre, deben ser coherentes con el error
máximo permisible (EMP) según el fabricante o por el valor asignado por el usuario al
termómetro para su calibración. Para ello se comparará la corrección obtenida aumentada
en la Incertidumbre Estándar Combinada de la corrección, con el EMP. Si la suma anterior
es menor que el EMP, se puede declara el cumplimiento con dicho EMP, en caso contrario,
se decidirán acciones a tomar.
Capítulo 5
Análisis Técnico Económico.
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
108
En este capítulo se estima el costo total para la realización de este proyecto, desde las
etapas preliminares hasta su culminación. Quedando incluidos en dicho costo los salarios
del personal técnico implicado, los gastos provenientes del uso de la tecnología requerida
y los costos de la adquisición de los equipos, componentes instalación y materiales
utilizados directamente.
El adecuado empleo de los recursos propuestos a utilizar en este trabajo es de vital
importancia con el objetivo de lograr un uso racional de los mismos y que para alcanzar
los resultados, se obtenga la eficiencia requerida.
La realización del análisis económico resulta beneficioso ya que permite tener el control de
los valores empleados y constituye un punto de referencia para establecer futuras mejoras
administrativas en la ejecución de trabajos similares. El análisis de costos y precios
brindará elementos de dimensión económica y reportará un amplio horizonte en las tareas
relacionadas con este perfil, minimizando así el derroche de capital en instrumentación o
materia prima innecesaria para la realización del proyecto en cuestión. El efecto
económico que reporta el proyecto, es un buen medidor tanto de la calidad como de la
utilidad que representa, para los grupos electrógenos HYUNDAI, la ejecución del proyecto.
El análisis económico para la ejecución del proyecto que se propone, está dividido en tres
partes:
• Costos
• Precio
• Efecto económico
• Análisis costo-beneficio
5.1 Costos.
El cálculo del costo se realiza al inicio del proyecto considerándolo como una estimación
del costo real que se determinara al terminar el proyecto. El mismo se puede determinar a
través del cálculo del costo directo e indirecto.
CT CD CI= + (5.1)
donde:
CT = costo total;
CI = costo indirecto;
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
109
CD = costo directo;
CI : Se refiere a los gastos de electricidad consumida, gastos de administración,
instalaciones etc. Este valor se estima multiplicando un coeficiente costo por el salario
básico de la investigación. El coeficiente de gasto considerado es de 0.85.
0.85*CI SB= (5.2)
donde:
SB = salario básico: Aquí se tiene en cuenta el salario básico que se les paga a los
estudiantes por el tiempo trabajado en el proyecto excluyendo vacaciones y seguridad
social. Incluye los salarios básicos de todos los participantes en la elaboración de la
propuesta del proyecto.
( )1
n
i iiSB a b
== ∗∑ (5.3)
donde:
ia : Días dedicados a la investigación por cada estudiante;
ib : Salario diario de cada estudiante;
n : Total de participantes;
( ) ( ) ( )total total totalCD = SB + SC + SS + MD + DP + OG (5.4)
donde:
SC : (Salario Complementario). Es el 0.0909 % del salario básico, que se destina para el
pago de las vacaciones. Este por ciento está respaldado por normativas y regulaciones
nacionales.
( ) ( )total totalSC = 0.0909 * SB (5.5)
SS : (Seguridad Social). Equivale al 10 % del salario básico más el salario complementario;
• Smith, C.; Corripio, A., Principles and Practices of Procces Control . 2ª Ed., John
Wiley & Sons, Inc.,1997.
Anexos
Anexo 2-1 Nomograma para la selección del disco de gravedad.
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124
Anexo 2-2 Operación automática del proceso de purificación.
Al presionar el botón Auto-Start, se inicia el temporizador de intervalos T000 Se energiza la válvula SV2 que suministra el agua para cerrar el tazón. Cuando T000 expira Se desactiva SV2 para detener el suministro de agua para cerrar. Se energiza la válvula SV3 que suministra el agua de reemplazo. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador del agua de reemplazo T002. Cuando T002 expira Se desactiva SV3 para detener el suministro de agua de reemplazo. Se energiza la válvula SV1 que suministra el agua para abrir el tazón. Luego el
tazón se va abriendo y se descarga el agua de reemplazo. Se inicia el temporizador del tiempo de suministro del agua para abrir el tazón
T001. Cuando T001 expira Se desactiva SV1 para detener el suministro de agua de abrir el tazón. Se energiza la válvula SV2 que suministra el agua para cerrar el tazón. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador de intervalos T000. Cuando T000 expira Se energiza la válvula SV3 que suministra el agua de sellado en el tazón. Se inicia el temporizador del tiempo de suministro de agua de sellado T003. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador de intervalos T000. Cuando T000 expira Se desactiva SV2 para detener el suministro de agua para cerrar. Cuando T003 expira Se desactiva SV3 para detener el suministro de agua de sellado. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador de intervalos T000. Cuando T000 expira (marca # 1) Se energiza la válvula SV4 para abrir la válvula de alimentación y comenzar la
alimentación del líquido hacia el interior del tazón. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador de descarga de lodos C015 En el intervalo de tiempo entre las descargas de lodos, se suministra
intermitentemente agua para cerrar el tazón. En otras palabras, se repite el
Autores: Reidel Díaz Rodríguez y Alain Serrano Roque
125
siguiente proceso: Se inicia el temporizador de suministro intermitente de agua C014, cuando este expira; entonces se inicia el temporizador de suministro de agua para cerrar T016, al mismo tiempo se abre SV2 para abastecer el agua que mantiene cerrado el tazón. Cuando T016 expira, entonces se cierra la válvula SV2 y se inicia nuevamente el temporizador C014. Se envía la señal “Feeding” (Alimentación) al multimonitor.
Cuando C015 expira Se resetea el temporizador de intervalos de descarga C015 Se acciona la válvula SV4 para cerrar la alimentación del líquido. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador de intervalos T000.
Luego se detiene la señal “Feeding”, y se envía la señal “Discharge process”. Cuando T000 expira Se energiza la válvula SV3 que suministra el agua de reemplazo. Se incrementa en uno el contador de frecuencia de lavado del tazón C023. Se inicia el temporizador del agua de reemplazo T002. Cuando T002 expira Se desactiva SV3 para detener el suministro de agua de reemplazo. Al mismo tiempo, se energiza la válvula SV1 que suministra el agua para abrir
el tazón. Luego el tazón se va abriendo y se descarga el lodo acumulado. Se inicia el temporizador del tiempo de suministro del agua para abrir T001. Cuando T001 expira Se desactiva SV1 para detener el suministro de agua de abrir el tazón. Se energiza la válvula SV2 que suministra el agua para cerrar el tazón. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador de intervalos T000. Cuando T000 expira y el C023 no ha expirado, si ya expiró ir a la marca # 3 Se energiza la válvula SV3 que suministra el agua de sellado en el tazón. Se inicia el temporizador del tiempo de suministro de agua de sellado T003. Se resetea el temporizador de intervalos T000. Se detiene la señal “Discharge process”. Cuando T000 expira Se desactiva SV2 para detener el suministro de agua para cerrar. Cuando T003 expira (marca # 2) Se desactiva SV3 para detener el suministro de agua de sellado. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador de intervalos T000. Ir a la marca # 1. Cuando T000 expira y C023 ya expiró (marca # 3) Se resetea el temporizador de intervalos T000. Se detiene la señal “Discharge process”. Cuando T000 expira Se energiza la válvula SV3 que suministra el agua de lavado en el tazón. Se inicia el temporizador de lavado T004. Se desactiva SV2 para detener el suministro de agua para cerrar. Cuando T004 expira Se desactiva SV3 para detener el suministro de agua de lavado. Al mismo tiempo, se energiza la válvula SV1 que suministra el agua para abrir
el tazón. Luego el tazón se va abriendo y se descarga el agua de lavado. Se inicia el temporizador del tiempo de suministro del agua para abrir el tazón
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T001. Cuando T001 expira Se desactiva SV1 para detener el suministro de agua de abrir el tazón. Se energiza la válvula SV2 que suministra el agua para cerrar el tazón. Al mismo tiempo, se inicia el temporizador de intervalos T000. Cuando T000 expira Se energiza la válvula SV3 que suministra el agua de sellado en el tazón. Se inicia el temporizador del tiempo de suministro de agua de sellado T003. Se resetea el temporizador de intervalos T000. Ir a la marca # 2
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%***********************Preprocesamiento de los datos*********************** Ta= Ta-min(Ta); Tb=Tb- min(Tb); Tc=Tc- min(Tc); Td=Td- min(Td); Te=Te- min(Te); Tf=Tf- min(Tf); Tg=Tg- min(Tg); Th=Th- min(Th); figure (1) plot(t,Ta,'r',t,Tb,'m',t,Tc,'k',t,Td,'b',t,Te,'c',t,Tf,'g',t,Tg,'y') hold on plot(t,Th,'Color',[0 0 0.5]) title('Gráfica de los experimentos de identificación'); xlabel('Tiempo (s)'); ylabel('Temperatura (ºC)'); grid clc T(1,:)=Ta;T(2,:)=Tb;T(3,:)=Tc;T(4,:)=Td;T(5,:)=Te;T(6,:)=Tf;T(7,:)=Tg;T(8,:)=Th; % se obtiene la matriz T [Tp,Temp]=bestcurva(T); %Se obtiene en Tp la curva promedio y en Temp la curva más %cercana al promedio, en cada instante de tiempo. figure(2) plot(t,Ta,'r',t,Tb,'m',t,Tc,'k',t,Td,'b',t,Te,'c',t,Tf,'g',t,Tg,'y') hold on plot(t,Th,'Color',[0 0 0.5]) title('Gráfica de los experimentos de identificación y la curva promedio'); xlabel('Tiempo (s)'); ylabel('Temperatura (ºC)'); grid plot(t,Tp,'Color',[.2,.2,.2],'LineWidth',2) clc figure (3) plot(t,Temp, 'b'); title('Gráfica del experimento seleccionado'); xlabel('Tiempo (s)'); ylabel('Temperatura (ºC)'); grid figure (4) autocorr(Temp) figure (5) crosscorr(u,Temp) %***********************Determinación de la estructura*********************** Temp=Temp'; u=u'; Datos=iddata(Temp,u,2); P1= pem(Datos,'P1');
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Anexo 3-2 Funciones elaboradas en MatLab para la identificación y simulación del proceso. %**************************Función para obtener la mejor curva experimental****************** function [Tp,B]=bestcurva(T) %Calcula la curva mas cercana a la curva promedio de la %familia de curvas contenidas en T. % T es una matriz que tiene en cada columna una medicion. [f,c]=size(T); Tp=mean(T); %se calcula la curva promedio for t=1:f; for i=1:c; E(i,t)=abs(T(t,i)-Tp(i)); %se calcula la matriz E: error end %en cada instante de tiempo end %respecto a la curva promedio for t=1:f; Estadigrafos(1,t)=[1 - norm(Tp - T(t,:))/norm(Tp -mean(T(t,:)))]*100; end %calcula el % de ajuste respecto al promedio Estadigrafos(2,:)=mean(E); Estadigrafos(3,:)=var(E); Estadigrafos(4,:)=std(E); Estadigrafos %contiene los estadigrafos de cada curva n=find(Estadigrafos(1,:)==max(Estadigrafos(1,:))); %halla el máximo de los porcientos de ajuste B=T(n,:); %devuelve la curva de mayor ajuste
%**************************Función para el análisis de los modelos obtenidos****************** function [B]=validacionmodel(datos,m) yn=datos.OutputData; %obtener las y de los datos media_yn=mean(yn); [ym,fit]=compare(datos,m); %obtener las y de los modelos ym=ym1.OutputData; %obtener el porciento de error de simulacion error_simulacion(:,1)=yn-ym; media_error_simulacion=mean(abs(error_simulacion)); porc_error_simulacion=(media_error_simulacion/media_yn)*100; %obtener el porciento de error de modelo(prediccion) error_modelo=pe(m,datos); media_error_modelo=mean(abs(error_modelo.OutputData)); porc_error_modelo=(media_error_modelo/media_yn)*100; B(:,1)=fit'; B(:,2)=porc_error_simulacion'; B(:,3)=porc_error_modelo';
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Anexo 3-3 Esquema diseñado en el Simulink para la validación del controlador.
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Anexo 3-4 Principales especificaciones del rack del PLC instalado. Unidad Central
Especificaciones CPU 315- 2 PN/DP (6ES7 315-2EG10-0AB0) Paquete de software STEP 7 V5.3 SP1 o superior Memoria de trabajo 128 Kbyte(s) Bloques de datos 1023 con una capacidad de 16 Kbyte(s) Tensión de alimentación 24 V DC Consumo de corriente. 2,5 A Potencia de pérdidas 3,5 W Veloc. de interfase MPI/DP 12 Mbit/s Comunicación TCP/IP Sí vía interfaz PROFINET Nº de enlaces totales 16 Nº de bastidores (máx.) 4 Nº de módulos (máx.) 8 Precio (euros) 1.869,00 € Módulos Digitales
Especificaciones SM 321 (6ES7 321-1BL00-0AA0) Nº de entradas/salidas 32 entradas digitales Tensión de alimentación 24 V DC Potencia de pérdidas 6,5 W Consumo de corriente 0.5A Conector frontal 40 polos Precio (euros) 288,00 € Especificaciones SM 322 (6ES7 322-1BL00-0AA0) Nº de entradas/salidas 32 salidas digitales Tensión de alimentación 24 v DC Potencia de pérdidas 5 W Consumo de corriente 0.5A Conector frontal 40 polos Precio (euros) 399,00 € Especificaciones SM 323 (6ES7 323-1BL00-0AA0) Nº de entradas/salidas 16 entradas y 16 salidas digitales Tensión de alimentación 24 v DC Potencia de pérdidas 3,5 W Consumo de corriente 0.5A Conector frontal 40 polos Precio (euros) 372,00 €
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Módulos Analógicos
Especificaciones SM 331 (6ES7 331-7NF00-0AB0) Nº de entradas/salidas 8 entradas analógicas Tensión de entrada (máx.) 50 v Corriente de entrada (máx.) 32 mA Potencia de pérdidas 0.6 W Conector frontal 40 polos Precio (euros) 516,00 € Especificaciones SM 334 (6ES7 334- 0CE01-0AA0) Nº de entradas/salidas 4 entradas y 2 salidas analógicas Tensión de entrada (máx.) 20 v Corriente de entrada (máx.) 20 mA Potencia de pérdidas 2.6 W Conector frontal 20 polos Precio (euros) 338,00 € Módulos de funciones (Contador)
Especificaciones SM 350-2 (6ES7 350-2AH00-0AB0) Nº de entradas/salidas 8 entradas y 8 salidas digitales Nº de contadores 8 (incrementales) Frecuencia de contaje. 20 KHz Tensión de entrada 24 v Retardo a la entrada 50 µs Precio (euros) 843,00 €
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Anexo 4-1 MANÓMETROS DE CARÁTULA Fecha de calibración: _____/_____/_____
Registro de calibración Nº:_________. Calibrado por: _________________________________________________________.
Datos del instrumento de medición bajo prueba (IMBP).
Denominación: _____________________________ Rango: _____________________ Fabricante: __________________ Modelo: _____________ No. Serie: ____________ Clase: _______________ Perteneciente a: ___________________________________ Calibrado conforme a: ___________________________ Error: ___________________ Periodo de Vigencia de la certificación: ______________________________________
Datos del instrumento de medición de presión relativa utilizado como patrón (IMP). Denominación: ______________________________ Modelo: ____________________ No. Serie: ______________ Clase: _____________ Límite de medición: ___________ Otros datos: ___________________________________________________________ ______________________________________________________________________
Condiciones de Referencia. Temperatura: ______ ± ______ (ºC) Variación de la temperatura durante la calibración: ______ ± ______ (ºC) Humedad relativa: ______ ± ______ (%)
Datos de calibración. 1. Examen exterior y comprobación del cero de presión relativa.
Satisfactorio: ____________ No satisfactorio: _______________ 2. Comprobación del funcionamiento.
Satisfactorio: ____________ No satisfactorio: _______________ 3. Comprobación de la hermeticidad.
Satisfactorio: ____________ No satisfactorio: _______________ 4. Comprobación de los errores de indicación
Indicaciones del IMP (Unidades de Presión)
(div.esc.) Kgf/cm2 ( )
Indicaciones del IMT ERROR
Incertidumbre de la calibración___________________________________________________ Abreviaturas: div.esc. = divisiones por escala. Incert = Incertidumbre de la calibración.
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Anexo 4-2. TRANSDUCTORES DE PRESIÓN Fecha de calibración: _____/_____/_____
Registro de calibración Nº:_________. Calibrado por: _________________________________________________________.
Datos del instrumento de medición bajo prueba (IMBP).
Denominación: _____________________________ Rango: _____________________ Fabricante: __________________ Modelo: _____________ No. Serie: ____________ Clase: _______________ Perteneciente a: ___________________________________ Calibrado conforme a: ___________________________ Error: ___________________ Periodo de Vigencia de la certificación: ______________________________________
Datos del instrumento de medición de presión relativa utilizado como patrón (IMP). Denominación: ______________________________ Modelo: ____________________ No. Serie: ______________ Clase: _____________ Límite de medición: ___________ Otros datos: ___________________________________________________________ ______________________________________________________________________
Condiciones de Referencia.
Temperatura: ______ ± ______ (ºC) Variación de la temperatura durante la calibración: ______ ± ______ (ºC) Humedad relativa: ______ ± ______ (%)
Datos de calibración. 5. Examen exterior y comprobación del cero de presión relativa.
Satisfactorio: ____________ No satisfactorio: _______________ 6. Comprobación del funcionamiento.
Satisfactorio: ____________ No satisfactorio: _______________ 7. Comprobación de los errores de indicación
Indicaciones del IMP (Unidades de Presión)
(div.esc.) Kgf/cm2 ( )
Indicaciones del IMP
(mA)
Indicaciones del IMBP
(mA)
Error (mA)
Incert. (mA)
Pendiente de la recta (m) = ______________ (mA / “Unidades de presión”). Intercepto de la recta (n) = ______________ (mA) Error máximo permisible: __________________.
Satisfactorio: ____________ No satisfactorio: _______________ Abreviaturas: div.esc. = divisiones por escala. Incert = Incertidumbre de la calibración.
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Anexo 4-3. TERMÓMETROS BIMÉTALICOS Y RTD’s Fecha de calibración: _____/_____/_____
Registro de calibración Nº:_________. Calibrado por: _________________________________________________________.
Datos del instrumento de medición bajo prueba (IMBP).
Denominación: _____________________________ Rango: _____________________ Fabricante: __________________ Modelo: _____________ No. Serie: ____________ Clase: _______________ Perteneciente a: ___________________________________ Calibrado conforme a: ___________________________ Error: ___________________ Periodo de Vigencia de la certificación: ______________________________________
Datos del instrumento de medición de presión relativa utilizado como patrón (IMP). Denominación: ______________________________ Modelo: ____________________ No. Serie: ______________ Clase: _____________ Límite de medición: ___________ Otros datos: ___________________________________________________________ ______________________________________________________________________
Condiciones de Referencia. Temperatura ambiente: ______ ± ______ (ºC) Variación de la temperatura durante la calibración: ______ ± ______ (ºC) Humedad relativa: ______ ± ______ (%) Escala de temperatura utilizada: ___________________________________________.
Datos de calibración.
Indicaciones
del IMP Indicaciones
del IMT Corrección (c) Incertidumbre
NOTA: Las indicaciones del termómetro, las correcciones y la Incertidumbre deben reportarse con el mismo número de cifras significativas.