Diagnóstico de fallas en el generador de vapor - Instituto de ...

Actividades de investigación4Descripción del problemaEl generador de vapor de una unidad termoeléctrica es el sistema más importante deésta, debido a la complejidad y cantidad de los procesos que allí se realizan; por lo tantoes importante garantizar su disponibilidad en todo momento.El problema que se resuelve en este trabajo, consiste en el desarrollo del prototipo deun sistema de diagnóstico para el generador de vapor de una unidad termoeléctrica. Lafunción del prototipo es reconocer los estados de riesgo o mal funcionamiento de loscomponentes del generador de vapor, en cuanto se presenten en la operación.En trabajos de investigación previos, realizados en el área de Supervisión de Procesosdel IIE, se han explorado con éxito las técnicas de redes neuronales y la lógica difusapara el diagnóstico de fallas (Ruz Hernández, J. A. et al., 2005), (Aquino, H., 2005). Conestos trabajos se ha encontrado, que en algunos casos específicos es mejor una técnicaque otra, de donde se infiere que un resultado más robusto puede ser alcanzado, mediantela implementación de un esquema de diagnóstico basado en diferentes métodoscomplementarios, lo cual justifica la necesidad de explorar las propiedades de nuevastécnicas en el campo de diagnóstico de fallas.En este trabajo se presentan los resultados obtenidos tras la aplicación de redes de Petri para el diagnósticode fallas. Las redes de Petri son una herramienta gráfica y matemática de modelado, que puede serutilizada en cualquier tipo de sistemas dinámicos. Con esta técnica se describe y estudia la informaciónproveniente de sistemas concurrentes, asíncronos, distribuidos, paralelos, determinísticos y estocásticos.Esta herramienta gráfica se utiliza como ayuda visual de la estructura y conexiones del sistema, de formaanáloga a los diagramas de bloques, grafos de flujo o redes. Como herramienta matemática es posible describirecuaciones de estado, ecuaciones algebraicas y otros tipos de modelos matemáticos, usados pararepresentar la dinámica del sistema analizado.Para implementar el sistema de diagnóstico se sigue el método desarrollado por Lo, Ng y Trecat (Lo K. L.,et al., 1997), el cual consiste en obtener un modelo de causalidad del elemento a diagnosticar, utilizandouna red de Petri denominada red hacia adelante. Una vez obtenido este modelo, se invierte el sentido delos arcos de conexión, obteniéndose una red de Petri hacia atrás. Esto genera un modelo de falla. Conbase en la experiencia de los operadores se determinan los umbrales de detección y aplicando reglas dedisparo de las transiciones de la red, se producen señales que cambian el estado de la red de Petri y que seinterpretan como firmas de las fallas consideradas.Redes de PetriFundamentosLas redes de Petri aparecieron en la literatura con la tesis doctoral de Carl Adam Petri en 1962, como unaherramienta matemática que permitía modelar eventos discretos de una manera gráfica y fácil de visualizar.En la década de los setenta, su estudio y aplicación se extendieron debido a su versatilidad para elanálisis y modelado de sistemas dinámicos. Más tarde, en 1987, René David y Hassane Alla desarrollaronel concepto de redes de Petri continuas (David y Alla, 1987) las cuales permitieron modelar eventos continuos.En 1991 se desarrollaron las redes de Petri híbridas. Esta nueva extensión combina los dos tipos deredes de Petri mencionados anteriormente.Conceptos básicosLos conceptos listados a continuación se tomaron del libro Petri nets and grafcet de David y Alla (David yAlla, 1992).

5 Boletín IIE, enero-marzo del 2007Lugares, transiciones y arcosLas redes de Petri son un tipo de grafo dirigido que se componen pordos tipos de nodos: lugares y transiciones, donde los lugares son representadospor círculos y las transiciones por rectángulos o por barras.Los lugares y transiciones se conectan entre sí por medio de arcos.El número de lugares y transiciones es finito y diferente de cero,aunque pueden existir redes degeneradas que no contengan a algunode éstos.La Fig. 1 muestra una red de Petri que se compone de cinco lugares,cuatro transiciones y diez arcos. El conjunto de lugares se denota porP y el conjunto de transiciones es denotado por T, de donde, para esteejemplo: P = {p 1, p 2, p 3, p 4, p 5} y T = {t 1, t 2, t 3, t 4}.El lugar p 1es el lugar de entrada de la transición t 1y el lugar p 2es ellugar de salida de la misma transición. Una transición sin lugar de entradase llama transición fuente y una transición sin lugar de salida sedenomina transición destino.Figura 1. Red de Petri.P1T1P2T2P3P5T4P4T3Figura 2. Red de Petri contokens.P1T1P5MarcasLa Fig. 2 muestra una red de Petri con marcas en los lugares p 1y p 4, estas marcas sedenominan tokens. El número de tokens se expresa por M(P i) o por m i. En la red mencionada,se tiene que m 1= m 4= 1 y m 2= m 3= m 5= 0. El estado de la red está determinadopor el vector de tokens, para la red es M = (1, 0, 0, 1, 0). Los tokens pueden moverse porla red y así cambiar el estado de la misma. Para que un token vaya de un lugar a otro, senecesita que las transiciones sean disparadas.P2T2P3T4P4T3Disparo de transicionesPara disparar una transición, es necesario que en sus lugares de entrada exista al menosel mismo número de tokens, que el valor del peso del arco de conexión. Por ejemplo, siel arco que une el lugar de entrada con la transición tiene un peso de dos, se necesitaque el lugar tenga al menos dos tokens para que dicha transición pueda ser disparada,en caso de que esto ocurra, se dice que dicha transición está activada. Una transiciónfuente siempre está activada. En la Fig. 2, la transición t 4está activada y las transicionest 1, t 2y t 3no lo están.El disparo de una transición consiste en tomar tantos tokens del lugar deentrada como el peso del arco indique y agregarlos al lugar de salida.La Fig. 3 muestra dos ejemplos de disparo de transiciones. En la Fig. 3bse observa que no existe el disparo, ya que el lugar p 5tiene un númeromenor de tokens que el peso del arco que lo une con la transición 2.Nótese que cuando el peso del arco es 1, no es necesario etiquetarlo.Técnicas de álgebra linealNotación y definicionesa)b)Figura 3. Disparo de transiciones.Las definiciones siguientes son dadas por David y Alla (David y Alla,1992).Red de Petri ordinaria no marcada . Es una 4-tupla Q = P, T, Pre, Post,donde:

Actividades de investigación6P = {p 1, p 2, …, p m} es un conjunto finito de lugares.T = {t 1, t 2, ... , t n} es un conjunto finito de transiciones.P T = y P T , los conjuntos P y T son disjuntos.Pre : P x T {0, 1} es la aplicación de la entrada de incidencia.Post : P x T {0, 1} es la aplicación de la salida de incidencia.Pre(P i,T j) es el peso del arco P i T j; el peso es de 1 si el arco existe y 0 si no.Post(P i,T j) es el peso del arco de T j P i.Red de Petri generalizada no marcada. Se define como una red de Petri ordinaria no marcada,excepto que:Pre : P x T NPost : P x T Ndonde N es el conjunto de los números naturales.Se utiliza la siguiente notación:oT j= {P i P | Pre (P i, T j) > 0 } = conjunto de lugares de entrada de T joT j= {P i P | Post (P i, T j) > 0 } = conjunto de lugares de salida de T joP i= {T j T | Post (P i, T j) > 0 } = conjunto de transiciones de entrada de P ioP i= {T j T | Pre (P i, T j) > 0 } = conjunto de transiciones de salida de P iRed de Petri marcada. Es un par R = Q, M 0, donde Q es una red de Petri no marcada y M 0es la marca inicial.Con el uso de álgebra lineal para el análisis de redes de Petri, se introduce un cierto formalismomatemático, aplicable a las redes de Petri ordinarias y generalizadas.Red de Petri pura. Una red de Petri es una red pura, si no existe ninguna transición quetenga un lugar que sea al mismo tiempo de entrada y salida de la transición:t j T, p i P, Pre (p i, t j) Post (t j, p i) = 0 [1]Matriz de incidencia. Para una red de Petri N con ntransiciones y m lugares, la matriz de incidenciaA=[a ij] es una matriz de n x m, y sus entradas típicasson dadas por:a i j= a i j+- a i j–[2]donde a i j+= w(i, j) es el peso del arco de la transicióni a su lugar de salida, j y a i j-= w(j, i) es el pesodel arco de la transición i a su lugar de entrada j. Enla Fig. 4 se muestra una red de Petri con su matrizde incidencia.Ecuación de estados. A partir de la matriz de incidenciase pueden obtener los estados siguientesde la red, conociendo qué transición será disparaday el estado actual de la red. Esto se puede realizaraplicando la siguiente ecuación (Murata T, 1977):M k= M k - 1+ A T k=1du kk = 1,2... [3]Figura 4. a) red de Petri, b) matriz de incidencia.a) b)=[ ]A-2 1 11 -1 01 0 -10 -2 2

7 Boletín IIE, enero-marzo del 2007En la Fig. 5 se muestra una red de Petri en su estado inicial (a) y unestado siguiente (b), después del disparo de la transición 3. Nótesecomo utilizando la ecuación de estados se pudo predecir el estado siguientede la red (c).Figura 5. a) estado inicial, b) estado siguiente, c) ecuación de estados.Diagnóstico de fallas con redes de PetriLa primera etapa en el proceso de diagnóstico, consiste en obtenerun modelo causal del sistema al cual se desea hacer el diagnóstico;a partir de estos modelos de los elementos, se obtienen los modelosde fallas, para esto, basta con invertir la dirección de los arcos de conexiónde los elementos (Lo, K.L. et al., 1995). Además, se incluyen enla red de diagnóstico algunas señales de alarmas, que serán de ayudapara la labor de diagnóstico.Este método consiste en seleccionar los elementos sobre los que sehará el diagnóstico (separación de fallas) y una vez seleccionado elelemento, se realiza un modelo causal de propagación de falla de dichoelemento. Esta metodología es una adaptación de la planteadaen la literatura por Lo, Ng y Trecat (Lo K.L. et al., 1997).a) b)30022010[][]+c)[ ]-2 1 101 -1 001 0 -110 -2 2=[]El propósito del proceso de separación de fallas es deducir la operación de los elementosde la planta. Esto se logra analizando la información disponible mediante el uso deun modelo de red de Petri. Los elementos candidatos de falla son modelados medianteredes de Petri marcadas.En esta etapa de desarrollo, el sistema de diagnóstico no utiliza un modelo matemáticode la planta, sino los modelos descriptivos causales obtenidos, pero como no se cuentacon un modelo matemático, no se obtienen residuos para hacer diagnóstico, por lo queel sistema de diagnóstico basa su operación en alarmas tradicionales (superación de unumbral establecido) como son rangos de operación, que presentan los elementos de laplanta. En dado caso que una variable sobrepase el umbral establecido, se indica un síntoma;para que se declare una falla, es necesario que todos los síntomas se presenten yde esta manera se descartan falsas alarmas.En el modelo de red de Petri, los S-elementos (lugares) son formados por los elementosque intervienen en la falla y los T-elementos (transiciones), son formados por la transiciónde la falla y el periodo de tiempo que ocurre entre la propagación de un elemento aotro, es decir, los umbrales se establecen en las transiciones, así, cuando la última transiciónsea disparada, se establecerá la declaración de la falla.Figura 6. a) red de Petri hacia delante, b) red de Petri hacia atrás.a) b)El proceso de diagnóstico de fallas funciona esencialmente en direccióninversa al proceso de separación de fallas. Esto hace posible utilizarel modelo con red de Petri, con la dirección de todas las flechasal revés. La red de Petri original es llamada red de Petri hacia adelantey la utilizada en el diagnóstico se denomina red de Petri hacia atrás(Fig. 6).Para determinar los umbrales de operación se realizaron varias pruebasy con base en la experiencia adquirida en éstas, se establecieronlos límites normales de operación para las variables de interés. En algunoscasos, las variables presentan un comportamiento oscilatorio ypuede sobrepasar en repetidas ocasiones el umbral propuesto; en estoscasos, se obtiene la media de la señal y si ésta se encuentra dentrodel umbral, no se decreta el síntoma.

Actividades de investigación8Modelado de la plantaEl modelado del sistema se desarrolla a partir de la metodología planteada en la literatura por Lo, Ng y Trecat(Lo K. L. et al., 1997). Se elige el elemento a modelar y se buscan todos los elementos que se relacionanfuncionalmente con él y una vez identificados, se interconectan mediante la red de Petri, respetando lasrelaciones causales existentes.Los lugares se toman como los elementos interconectados y son marcados en caso de que dicho elementoesté en operación. El disparo de las transiciones depende de la condición del número de tokens en suslugares de entrada; para fines de modelado, se busca tener uno lo más simple posible, ya que el principalinterés en esta etapa es definir la relación del elemento a modelar, con otros elementos de la planta.Se eligieron como caso de estudio los siguientes elementos:• precalentador regenerativo norte• paredes de aguaDe los componentes elegidos, uno pertenece al sistema aire – gases (precalentador regenerativo norte)y otro al sistema de control de temperatura de vapor sobrecalentado y recalentado (paredes de agua). Seeligieron estos elementos, dado que son primordiales en la operación del generador de vapor y en caso deque presenten una falla, las consecuencias pueden llegar hasta el paro de la planta.Modelo del precalentador regenerativo norteLos gases producto de la combustión aún contienen energía, la cual puede aprovecharse de la siguiente forma (ComisiónFederal de Electricidad, 1997):• Disminuyendo la temperatura de gases: por cada 30 o C, la eficiencia de la caldera se incrementa en un 2.5 %• Aumentando la temperatura del aire: por cada 38 o C, la eficiencia de la caldera se incrementa cerca del 2%Las funciones anteriores se consiguen en el precalentador de aire regenerativo (tipo Ljungstrom), donde el calor es transferidoindirectamente de los gases al aire, a través de elementos metálicos de alta eficiencia térmica agrupados en paquetes (canastas).Estos elementos giran lentamente, por lo que absorben el calor del flujo de gases a su paso y posteriormente cedenel calor al pasar por el ducto de aire. El ciclo se repite continuamente.La planta cuenta con dos precalentadores regenerativos de aire (norte y sur), cada uno de ellos del 50% de capacidad, son deeje horizontal, por lo que el flujo de aire pasa por la parte inferior y el flujo de gases por la parte superior. Cada precalentadorcuenta con los siguientes componentes (Comisión Federal de Electricidad, 1997):Sellos mecánicos. Aun cuando los flujos de aire y gases están separados para evitar el contacto entre ellos, no se puedeevitar que el aire, por su mayor presión, se filtre hacia el lado de los gases. Esto provoca que la carga en los ventiladores detiro forzado aumente significativamente. Para contrarrestar lo anterior, se cuenta con sellos mecánicos en los espacios dondepueden ocurrir filtraciones.Motor eléctrico. El precalentador es puesto en operación por un motor eléctrico de 480 V. Mediante un reductor de engranesy una cremallera, el precalentador es girado a una velocidad de 480 RPM, la cual debe mantenerse siempre que la calderaesté encendida, o en caso de paro, mientras la parte más caliente del precalentador (entrada de gases) esté arriba de 150 o C.El precalentador puede ser detenido sólo por debajo de esta temperatura, para prevenir deformaciones en sus elementos yposibles incendios debido a depósitos de combustible acumulado.Turbineta neumática. Otro medio de accionamiento del precalentador regenerativo es una turbineta neumática, la cualasegura el giro continuo, aun si la potencia del motor eléctrico se suspende o por falla del mismo. También se utiliza paracontrolar la velocidad del precalentador durante un lavado de la superficie de calentamiento.Las señales de interés para el precalentador regenerativo son el amperaje de su motor, las temperaturas de aire y gases a susalida y la turbina del precalentador. El efecto que presenta en otros elementos de la planta es mínimo, por lo que no se consideraranotros elementos para el modelado.

9 Boletín IIE, enero-marzo del 2007Modelo de paredes de aguaLos tubos de paredes de agua son los que conforman el hogar. Su función es la de absorber el calor radiantede la combustión y transmitirlo al agua.El agua sale del domo inferior, subiendo verticalmente por las paredes. En su paso por éstas, parte del aguacambia de estado líquido a vapor, formándose así una mezcla agua–vapor, la cual llega a unos cabezalessuperiores y ahí es dirigida hacia el domo superior, llegando por la parte superior del mismo. En el domosuperior, el agua es separada del vapor.Las paredes de agua presentan una estrecha relación funcional con elementos del sistema de agua dealimentación.Fallas críticas en la operación del generador de vaporFallas relacionadas con el control de la combustiónEl control de la combustión tiene por objeto controlar la mezcla de aire–combustible en el hogar en formasegura y eficiente, manteniendo el equilibrio entre el calor generado y la demanda de vapor, para obteneruna salida de presión de vapor controlada. Una alta eficiencia de la combustión se logra con el exceso deaire adecuado, para quemar la cantidad necesaria de combustible para cada quemador. Otro factor queinfluye en la eficiencia de un generador de vapor, además de la buena combustión, es la disminución detemperatura de los gases de la salida por la chimenea, pero esta disminución se verá restringida por la corrosiónque provoca la baja temperatura de los gases con alto contenido de azufre, afectando a los calentadoresde aire regenerativo, los cuales en estas condiciones se deterioran, envejeciendo prematuramentepor la corrosión. Con el control de la combustión en automático, se obtienen respuestas rápidas a variacionesde los parámetros principales, con una desviación mínima en la relación aire–combustible. Cuando elcontrol de la combustión opera en modo manual es factible que la eficiencia de la caldera disminuya, al nomantener dicha relación en la cantidad adecuada.Relación del sistema aire–gases y aceite combustible con otros sistemasSistema de agua de circulación y enfriamiento de auxiliares. Este sistema se relaciona mediante el suministrocontinuo del agua de enfriamiento a los equipos auxiliares que requieren, por su diseño, de enfriamientocon flujo de este líquido, como los enfriadores auxiliares de agua de servicios que enfrían a la chumaceraen el lado caliente de los precalentadores regenerativos.Sistema eléctrico. La función principal del sistema eléctrico es proporcionar la energía eléctrica a la mayoríade los equipos de la central.Sistema de vapor secundario (generador vapor-vapor). Este sistema suministra la cantidad necesaria de vaporpara el calentamiento del combustible, desde su manejo hasta llegar al quemador para su combustión,siendo los siguientes equipos los que alimenta: calentador del tanque de almacenamiento de combustible;área de descarga de carros tanque de ferrocarril; venas de calentamiento; calentador del tanquede día y calentadores principales de aceite combustible.Sistema caldera agua–vapor. El sistema aire–gases y aceite–combustible en conjunto suministran el calornecesario para evaporar parte del agua que circula en las paredes del hogar, siendo una relación directaentre estos sistemas.Sistema de vapor sobrecalentado y recalentado. La combustión generada en el hogar desprende una cantidadelevada de energía en forma de calor radiante y gases calientes, afectando directamente al vaporque circula por el sobrecalentador y el recalentador, cediéndoles gran parte de esta energía para lograr lascondiciones finales del vapor principal y recalentado.

Actividades de investigación10Análisis de fallaLa falla que se analizó para el sistema de control de combustión fue: Precalentador regenerativo atoradonorte.Evolución y consecuencias de la fallaLa capacidad del generador de vapor disminuye considerablemente al detenerse el precalentador y al incrementarsela temperatura por no haber transferencia de calor, principalmente por la baja temperaturaen el aire de entrada al hogar que servirá para la combustión.La evolución de las variables afectadas al presentarse el disturbio, empezará a observarse en el amperajedel motor del precalentador, el cual, se incrementará por encima de su valor normal, llegando a sobrepasarsu límite permitido de consumo de corriente, lo cual ocasionará que opere su protección por sobre corriente,activando la alarma correspondiente en el cuarto de control. Posteriormente, el amperaje del motorcaerá a cero; desde el atoramiento del precalentador dejará de realizar su función, teniéndose mayorgasto de combustible para la misma carga por el enfriamiento de aire para la combustión ya mencionada,y aunque se intente girar el precalentador, esto no será posible ya que las variables involucradas evolucionaránhasta valores críticos.La temperatura de gases a la salida del precalentador sube porque al pararse éste, dejade existir intercambio de calor y la temperatura de los gases que antes se transferiríaal aire, hará que la temperatura en la salida del precalentador aumente. Al aumentar lasalida de los gases del lado frío, el control de temperatura de aire a la entrada del precalentadorprovocará que el promedio suba y como consecuencia, el aire que entra alprecalentador disminuye su temperatura. La temperatura del aire a la salida bajará aúnmás por el atoramiento y al no haber transferencia de calor, la temperatura de los gasessubirá.Esta diferencia de temperaturas en el precalentador lado aire y lado gases, someterána esfuerzos térmicos al material de éste y provocará fatiga. Podría presentarse mayorflexión de su flecha y esto agravaría el atoramiento, además del derrateo de la unidad, sino se realizan las acciones correctivas adecuadas. También se corre el riesgo del incendiodel precalentador, aumentando el costo de los daños de la falla y como consecuenciala pérdida total de la generación de la unidad.Causas que provocan la fallaAlgunas causas que pueden provocar el atoramiento del precalentador son: que algunacanastilla se desprenda; que los sellos se desajusten o se muevan de su posición; dañodel motor en los elementos de engranaje; daño o desgaste de las chumaceras y algunadeformación en la estructura física del precalentador.Las causas de desprendimiento de componentes se incrementa cuando la calidad delcombustible quemado en una central es baja, debido a concentraciones altas de elementosindeseables que para este caso sería el azufre, haciendo que la corrosión de loselementos del precalentador provoque los daños mencionados (Ruz Hernández, J.A.et al., 2005).Simulación de la fallaLa falla se simuló a los 30 minutos de operación y sus características son que es súbita ypermanente, además de que la falla es total, es decir, no existen niveles de atoramiento.En las gráficas de las variables se puede observar el comportamiento con falla y sin fallade las mismas, y a partir de este comportamiento, se establecen los umbrales para eldiagnóstico.

11 Boletín IIE, enero-marzo del 2007Las variables monitoreadas en esta falla son:1. Temperatura de gases a la salida del precalentador norte (TGSPN)2. Temperatura de aire a la salida del precalentador norte (TASPN)3. Temperatura de metal lado frío del precalentador norte (TMLFPN)4. Amperaje del motor del precalentador norte (AMPN)Además se monitorearon los estados de las siguientes alarmas:1. Precalentador norte disparo (APND)2. Precalentador norte parado (APNP)3. Turbina neumática del precalentador regenerativo en operaciónCon base en la experiencia adquirida después de haber realizado múltiplespruebas, se determinaron los umbrales de detección indicadosen la tabla 1.Tabla 1. Tabla de comportamiento y umbrales para las variables en la fallaprecalentador regenerativo norte atorado.Variable Comportamiento Umbralante fallaTemperatura de aire a la salidadel precalentador Baja 500 o CTemperatura de aire a la entradadel precalentador Baja 291.15 o CTemperatura de metal lado fríoprecalentador Sube 326 o CAmperaje del motor precalentadorregenerativo Cae a cero 0 ARelación con otros sistemasEn esta falla, el tiempo de detección fue de 3 minutos, ya que la última condición encumplirse fue la temperatura de metal lado frío del precalentador.Fallas relacionadas con el control de temperatura de vaporsobrecalentado y recalentadoLa finalidad del sistema caldera–agua y vapor sobrecalentado y recalentado en conjuntoes producir vapor desde las paredes de agua, pasando por los bancos de sobrecalentamiento,para darle al vapor la energía suficiente y así trabajar en la turbina para que letransfiera toda su energía, evitando la formación de humedad que pudiera erosionar loselementos de la misma. Previendo esto, también se realiza un recalentamiento al vaporque ya se utilizó, con el fin de retornarle sus características térmicas y hacerlo trabajaren las turbinas de presión intermedia y baja presión, sin riesgos de inseguridad para suscomponentes.La relación del sistema caldera–agua y vapor sobrecalentado, recalentado y auxiliar con otros sistemas, tienecomo finalidad el conocimiento de los efectos ocasionados por la operación anormal de sus elementos(Comisión Federal de Electricidad, 1997).Sistema eléctrico. Alimenta los motores de las bombas de circulación forzada norte y sur. Al interrumpirsela alimentación eléctrica a cualquiera de los motores de estas bombas, la generación deberá reducirse al50% y en caso de faltar el suministro a las dos, la unidad no deberá continuar generando.Sistema de agua de servicios y contra incendios. Suministra el agua en forma continua a enfriadoresauxiliares, al enfriador de los motores de las bombas de circulación forzada y al respaldo correspondientepor parte del sistema contra incendio (los enfriadores de las bombas de circulación forzada) en caso deemergencia.Sistema de condensado. Existe relación entre el llenado inicial de los motores de las bombas de circulaciónforzada, en el repuesto de nivel del generador vapor/vapor en arranques y en emergencias. Tambiénatempera el vapor primario cuando se alimenta vapor auxiliar al cabezal de vapor secundario, en caso deno tener disponible al generador vapor/vapor.Sistema de agua de alimentación. Suministra en operación normal el flujo de agua necesario para mantenerel nivel del domo en su valor de operación. También suministra el flujo de agua a la presión necesaria,para la atemperación del vapor sobrecalentado y recalentado.

Actividades de investigación12Sistema de aire–gases y combustible. La relación con este sistema se presenta mediante el suministrodel calor necesario para la evaporación del agua del generador de vapor, incrementando la temperaturadel vapor sobrecalentado y recalentado, y la producción del vapor con las condiciones necesarias para elfuncionamiento adecuado de la turbina.Análisis de fallasLas fallas y decrementos en el generador de vapor ocupan entre un 50% a un 32% del total de fallas ocurridasen una unidad, afectando el índice de disponibilidad, además de las causadas por decrementos, mantenimientosy otros factores en los que se cuentan los errores de operación y mantenimiento. Los costospor la salida de la unidad son muy elevados cuando se presentan fallas en la caldera, debido al costo pordejar de generar, a su reparación con reposición de materiales y a la mano de obra calificada (ComisiónFederal de Electricidad, 1997).La manera para ayudar a incrementar la disponibilidad de una central consiste en mejorar la eficiencia desus componentes, incrementar su vida útil mediante la mejora de la operación y la seguridad, ya que resultamucho más conveniente corregir estos problemas que implantar otro tipo de soluciones que resultaránmás costosas. La falla que se analizó en este sistema fue la rotura de tubos de pared de agua.Evolución y consecuencias de la fallaCuando se presenta esta falla y de acuerdo con su severidad, el nivel del domo tenderá a disminuir, haciendoque su control responda hacia mantenerlo, con el consecuente incremento del flujo de agua de alimentación,pero cuando este flujo sea insuficiente el nivel se abatirá, pudiendo llegar a operar el disparo delgenerador de vapor, por abajo del nivel del domo y en caso de no operar esta protección, se corre el riesgode que el resto de los tubos de la pared de agua se quede sin refrigeración, con el consiguiente daño.Igualmente, la presión del domo disminuirá como consecuencia del decremento en la producción del vapororiginado por la falla y que posteriormente causará desviaciones al vapor sobrecalentado y recalentado,aumentando éstos su temperatura y disminuyendo su presión. Al recibir la medición de baja presióndel vapor sobrecalentado, el control de la combustión enviará la señal con la instrucción de incrementartanto el flujo de aire como de combustible, provocando que la presión en el hogar aumente, pudiendollegar al valor de disparo del generador de vapor por alta presión en el hogar. Además, la magnitud de lafuga también contribuirá a la presurización. Otro parámetro será el incremento del flujo de agua hacia eldeaereador, causando disminución del nivel del condensador, con el aumento consecuente del flujo derepuesto al ciclo y el abatimiento del tanque de agua de repuesto de condensado.Si no se aplican las acciones correctivas a estos efectos originados por la falla, se podrían dañar los tubosadyacentes de las paredes del hogar y existirían esfuerzos térmicos por la nula o baja circulación a travésde los tubos dañados, además de las altas temperaturas. También se sometería a la turbina a esfuerzos térmicosy empujes axiales, por condiciones de baja presión y alta temperatura del vapor, pudiendo presentarserozamientos entre partes fijas y móviles, fisura o erosión por la formación de humedad, siendo máscrítico en los últimos pasos de la turbina de baja presión.Causas posibles que provocan la fallaLas roturas en los tubos de una pared del hogar se presentan por diversas causas, por ejemplo: diseñodel generador de vapor, materiales utilizados y las condiciones de operación. En la parte de diseño se detectarácon la incidencia de la misma falla, aun con las reparaciones adecuadas. Algunos factores son: lacirculación inadecuada de gases calientes en el hogar y una deficiente circulación o refrigeración de tubos;los materiales utilizados con otra posible causa, ya que ocasionalmente el material presenta defectos en sufabricación; o una selección inadecuada del mismo.Otra causa son las condiciones operativas a las que se exponen los materiales, las cuales pueden controlarsecon una operación correcta de los parámetros que contribuyen a la falla de tubería de paredes de agua.Con el control de los parámetros se minimiza la formación del hollín, el cual es causado por problemas en

13 Boletín IIE, enero-marzo del 2007el quemador, como son: la insuficiente presión de vapor de atomización; la distribución inadecuada de lamezcla combustible/aire por daño en sus componentes; cantidad inadecuada de aire para la combustión;alargamiento de flama y concentraciones de azufre en los combustibles fósiles que, al incrustarse en la tubería,causarán corrosión. Durante variaciones de carga se presentan incrementos o decrementos de flujosde aire, combustible, gases y flujo de vapor en la caldera, lo cual somete a la tubería a diversos esfuerzos.Una reparación defectuosa, un tratamiento químico deficiente y arranques de unidad con condiciones inadecuadas,son otras causas que pudieran provocar daño a tubos de paredes del hogar (Ruz Hernández,J.A. et al., 2005).Figura 11. Modelo de falla rotura de tubos de paredde agua.Simulación de la fallaLa falla se simuló a los 15 minutos de operación y sus característicasson: súbita y permanente, además de que la falla es total, es decir, noexisten niveles de rotura. En las gráficas de las variables se observa elcomportamiento con falla y sin falla de las mismas, y a partir de estecomportamiento se establecen los umbrales para el diagnóstico.Las variables monitoreadas en esta falla son:1. Flujo de agua de repuesto a condensado (FARC)2. Flujo de agua de alimentación (FAAL)3. Flujo de aire (FA)4. Nivel del domo (NDO)Además se monitorearon los estados de la alarma de bajo nivel deldomo (ABND)Con base en la experiencia adquirida después de haber realizado múltiplespruebas, se determinaron los umbrales de detección indicadosen la tabla 2.En esta falla, el tiempo de detección fue de 3.5 minutos, ya que la últimacondición en cumplirse fue el flujo de agua de alimentación.Tabla 2. Tabla de comportamiento y umbrales para las variables en la fallarotura de tubos de pared de agua.VariableComportamiento Umbralante fallaFlujo de agua de repuesto a condensado Sube 30 m 3 /hFlujo de agua de alimentación Sube 25 m 3 /hFlujo de aire Baja 51.5 m 3 /hNivel del domo Baja 0 mConclusionesLos resultados obtenidos de este trabajo, muestran que el sistema de diagnóstico desarrollado permite una rápida deteccióne identificación de las fallas consideradas en el diseño. Asimismo, el carácter cualitativo del modelado por medio de redes dePetri, lo hace fácilmente extensible a un conjunto de fallas tan grande como se quiera abarcar o bien, fácilmente adaptable alos distintos rangos de operación de la planta, con el único requerimiento de reajustar los umbrales de detección. Esto, comparadocon un sistema de diagnóstico con base en redes neuronales, representa grandes ventajas al no requerir de la etapade entrenamiento, la cual es complicada y azarosa.Otra aplicación del modelado con redes de Petri que se desprende de este trabajo, es la determinación de alarmas, pues éstascorresponden a variables que han salido de su rango de operación nominal, sin que necesariamente corresponda a unafalla.Sin embargo, como trabajo futuro queda pendiente una comparación más minuciosa de estos resultados con los obtenidospreviamente, a fin de determinar las ventajas y desventajas de trabajar con las distintas técnicas de diagnóstico que se hanensayado en el área de Supervisión de Procesos del IIE.El desarrollo del sistema basado en redes de Petri, junto con los desarrollados anteriormente, hace posible la implementaciónde un esquema de diagnóstico de fallas que utilice redundancia algorítmica, el cual permitirá un mejor desempeño enlas tareas de diagnóstico de fallas para el generador de vapor, de una unidad termoeléctrica.

Actividades de investigación14ReferenciasAquino, H. (2005). Investigación de estrategias para la detección y diagnóstico de fallas en Centrales Termoeléctricas, Reportetécnico de estancia de Adiestramiento en Investigación Tecnológica, Instituto de Investigaciones Eléctricas.Comisión Federal de Electricidad (1997). Manual del Centro de Adistramiento de Operadores Ixtapatongo Módulo 1, Unidad1. México, pp 105.Comisión Federal de Electricidad (1997). Manual del Centro de Adistramiento de Operadores Ixtapatongo Módulo 3, Unidad2. México, pp 105.David, R. and H. Alla (1987). Continuous Petri Nets. 8th European Workshop on Application and Theory of Petri Nets, Zaragoza,España, pp. 275 – 294.David, R. and H. Alla (1992). Petri nets and grafcet: tools for modeling discrete event systems, Prentice Hall.Murata, T. (1977). State equation, controllability and maximal matching of Petri nets. IEEE Transactions on Automatic Control,Vol. AC – 22, No.3, pp. 412 – 416.Lo, K.L., H. S. Ng y J. Trecat (1997). Power systems fault diagnosis using Petri nets. IEE Proceedings of Generation, Transmitionand Distribution, IEE proceedings online, Vol. 144, pp. 231-236.Lo, K.L., H. S. Ng y J. Trecat (1995). Distribution fault diagnosis using Petri net theory. Proc. of the 30th Universities Powerengineering conference, Vol. 2, pp. 575 – 578.Ruz Hernández, J.A., E. Sánchez y D.A. Suárez (2005). Neural Networks-based scheme fault diagnosis in fosil electric powerplants. Proc. of the International Joint Conference on Neural Networks, Quebec, Canada, pp. 1740 – 1745.Dionisio Antonio Suárez CerdaIngeniero Electricista por la Universidad Michoacana de San Nicolás en 1980.Obtuvo el título de Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con la especialidaden Control Automático, en el Centro de Investigación y de EstudiosAvanzados del Instituto Politécnico Nacional en 1989 y el grado de Doctor enControl de Sistemas en la Universidad de Tecnología de Compiègne, en Compiègne,Francia en 1996.Ha sido catedrático en la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo,en la Universidad Autónoma del Estado de Morelos y en la Universidad Autónomadel Carmen.Desde 1985 es investigador en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE),donde ha dirigido proyectos y ha colaborado en la formación de investigadoresy profesionistas de alto nivel, mediante la dirección de tesis de los tres nivelesacadémicos, así como de estancias de Adiestramiento en InvestigaciónTecnológica.Sus temas de interés son el Control Inteligente, el Control Adaptable y la Identificaciónde Sistemas aplicados al mejoramiento de la operación de centralestermoeléctricas.Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 1997.suarez@iie.org.mxJosé Alfredo Sánchez LópezIngeniero en Electrónica por el Instituto Tecnológico de Orizaba (1993).Ingresóal IIE dentro del programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológicaimplementando un algoritmo de control avanzado del tipo de predicción. Esinvestigador en la Gerencia de Supervisión de Procesos desde 1994, desarrollandoe integrando sistemas integrales de información en tiempo real paracentrales generadoras de energía eléctrica e industrias afines. En 1999 obtuvoel grado de Maestro en Ciencias de la Computación por la Universidad deEdimburgo, en el Reino Unido. Es asesor e instructor de cursos para desarrollode sistemas basados en tecnología de componentes en plataformas visualesen el Instituto de Investigaciones Eléctricas. Está certificado como DesarrolladorAsociado de LabVIEW desde Abril de 2007.jasl@iie.org.mx