1.4 Gobernación electrónica
Tradicionalmente, los primeros gobernadores mecánicos y mecánico-hidráulicos, realizaban su función principal de mantener la seguridad de la unidad de forma fiable. La provisión de válvulas de parada de emergencia y gobernadores en serie ha proporcionado protección contra el fallo ocasional de una válvula para responder a su señal de control, mientras que el modo de fallo de la disposición mecánica de detección de errores de velocidad ha sido generalmente el de deteriorar lentamente el rendimiento en lugar de fallar repentinamente. Aun así, la provisión de dos juegos de válvulas de vapor en serie, con un juego operado directamente por un sistema de protección separado, también ha anulado el efecto de un fallo repentino. Por lo tanto, la fiabilidad de los sistemas de gobierno mecánicos no se ha vigilado estrechamente en el pasado.
Antes de hablar de la configuración de los sistemas de gobierno electrohidráulicos actuales en las plantas de turbinas modernas, es necesario entender el significado de la fiabilidad en este contexto. La definición general de fiabilidad es la probabilidad de lograr con éxito una tarea deseada, normalmente durante un periodo de tiempo determinado. Tomando la tarea total de los sistemas de gobierno y protección para evitar un exceso de velocidad peligroso, la probabilidad de éxito en esto debe ser de un orden tan alto que nunca se encuentre un fallo. Esto se consigue proporcionando sistemas de gobierno y protección completamente independientes, utilizando hardware diferente y técnicas diferentes para la detección de la velocidad, que operan por rutas diferentes a los dos conjuntos de engranajes de válvulas conectados en serie. Obviamente, la fiabilidad del regulador de velocidad debe ser lo más alta posible para conseguirlo y puede definirse como la probabilidad de no superar el punto de ajuste de exceso de velocidad. Sin embargo, en cualquier sistema de regulación general, la salida de la posición de la válvula tiene tres modos de fallo. Una válvula puede cerrarse, abrirse o quedarse en su posición actual. El disparo por exceso de velocidad sólo entra en funcionamiento cuando se produce cualquiera de los dos últimos y va seguido de un evento que provoca una descarga repentina de la turbina, por ejemplo, la apertura del interruptor automático de una turbina que acciona un generador. También existe la posibilidad, en una turbina desacoplada, de que se produzca un fallo por una demanda de velocidad excesiva.
Los fallos causados por la apertura espuria de las válvulas pueden diseñarse para que sean menos probables que los fallos que provocan el cierre de las mismas. Por ejemplo, se puede hacer que la pérdida de suministros hidráulicos o eléctricos cierre la válvula mediante un muelle de cierre o mediante un sesgo eléctrico nulo preestablecido.
En la práctica, el efecto más probable sobre el funcionamiento será un fallo que provoque una reducción de la carga o una pérdida completa de la misma. En el diagrama esquemático de bloques (Fig. 2.11) se puede observar que los fallos individuales en un canal de válvulas pueden provocar el cierre de una válvula, lo que supone una pérdida parcial de carga. Una pérdida completa de carga requeriría un fallo en la parte de procesamiento común del regulador. Por lo tanto, hay razones de peso para mejorar la fiabilidad de esta parte del regulador mediante técnicas de redundancia o de supervisión. Éstas se describen más adelante en esta sección. La probabilidad de que no se produzca una pérdida completa de carga es, por tanto, otra característica importante del regulador.
Debido a que normalmente se emplea la redundancia o la supervisión, cuando se producen fallos en la parte de procesamiento común del regulador, se anunciarán al operador para que se pueda llevar a cabo el mantenimiento. También pueden producirse fallos en los canales de válvulas individuales que causen sólo una pérdida parcial de carga. Por lo general, éstas pueden repararse en línea sin interferir en el funcionamiento ni registrarse en ninguna de las definiciones anteriores de fiabilidad. Sin embargo, se incluirán en las estadísticas generales de «tiempo medio entre fallos» del regulador y, obviamente, serán importantes para el usuario de los sistemas de regulación.
FIG. 2.12. Diagrama de bloques detallado de un sistema de gobierno de un solo canal
Se puede hacer un sistema de tres canales para satisfacer los requisitos de fiabilidad establecidos para los sistemas de gobierno. Si se produce un fallo en un canal, hace que la salida de ese canal se desvíe de los otros dos canales. Se incorporan circuitos de detección, además de los tres canales de procesamiento, para identificar los canales con fallos y desconectarlos antes de que puedan aportar una salida errónea. Dado que los circuitos de detección determinan la salida en función de los canales que funcionan correctamente, suelen denominarse «circuitos de votación por mayoría». La figura 2.13 muestra el diagrama de bloques de la figura 2.12 dividido en tres canales paralelos independientes. La parte central de procesamiento del regulador termina donde las tres salidas de cada red de linealización son controladas por los circuitos finales de votación mayoritaria asociados a los servos de las válvulas de vapor. Estos circuitos son extremadamente sencillos y, por tanto, fiables. Tienen la característica de que para pequeñas discrepancias en las señales de entrada, la señal de salida es la media de las entradas mientras que, para grandes discrepancias, el modo de acción se convierte en el de un selector de medianas.
FIG. 2.13. Diagrama de bloques de un sistema de gobierno de tres canales
Se observará en el diagrama que el descargador de la presión de escape está aislado de la trayectoria de la señal principal por un sistema de votación mayoritaria triple. Dado que los fallos del transductor son un factor importante en la fiabilidad del sistema, esto da una medida adicional de protección para el gobernador básico que continuará operando como un sistema completo de tres canales.
Cada servoamplificador de válvula es ostensiblemente de un solo canal y la configuración precisa está estrechamente asociada con el sistema hidráulico utilizado para amplificar las señales electrónicas en fuerzas lo suficientemente grandes como para posicionar las válvulas de vapor. La variedad de configuraciones empleadas se describe completamente en la sección 1.5 de este capítulo. Por el momento, cabe señalar que se proporciona un grado de autocontrol para que una válvula, relé hidráulico o servoamplificador defectuoso se identifique ante el operador y aplique una señal de cierre a la válvula. La supervisión entre válvulas se realiza en algunos reguladores, ya que es habitual que todas las válvulas de un tipo (por ejemplo, las válvulas del regulador HP) tengan el mismo porcentaje de apertura, dentro de unos límites. Sin embargo, esta forma de monitorización debe ser vetada durante las pruebas en carga de las válvulas en las que sólo una válvula de un conjunto está cerrada en cualquier momento.
Habiendo esbozado ahora la estructura básica de un sistema de gobernación analógico de tres canales, es conveniente examinar con más detalle algunos de los bloques funcionales que se muestran en la Fig 2.12. La provisión de detectores de velocidad de rango estrecho y de rango amplio por separado se deriva del requisito (para una turbina que acciona un generador) de un control preciso a la frecuencia de la red.
El detector de velocidad de rango estrecho utiliza las características de un circuito sintonizado o técnicas de temporización de impulsos para determinar la desviación de la velocidad de referencia correspondiente a la frecuencia nominal de la red. El circuito detector proporciona una conversión lineal de frecuencia a tensión sólo en un rango limitado. La razón de proporcionar una señal separada de rango estrecho es que, al utilizar dichas técnicas, se puede obtener una mejor precisión a largo plazo. Sin embargo, ninguna de las dos técnicas funcionará correctamente cuando haya una desviación sustancial (por ejemplo, > 10%) de la frecuencia de referencia. En el circuito sintonizado, esto se debe a una pérdida de linealidad lejos del punto nulo hasta el punto de que se producirán errores gruesos en el sentido de la salida a frecuencias subarmónicas. El circuito de sincronización mide el tiempo que tarda en pasar por el detector un número de dientes de una rueda con sensor de velocidad y lo compara con una referencia de tiempo precisa y fija. El número de dientes que pasan en una revolución de la rueda y el número de dientes que se toman para la medición se determinan para proporcionar un compromiso entre la precisión de la medición (cuantos más dientes, mejor) y una respuesta transitoria adecuada, en particular de la señal de aceleración derivada (cuantas más mediciones por segundo, mejor). La precisión con la que se cortan los dientes en la rueda y la combinación del detector de velocidad y el circuito de disparo para registrar el paso de los dientes también se consideran cuidadosamente en el diseño.
Algunos de los últimos reguladores emplean una técnica de temporización de impulsos para la detección de la velocidad con auto-ranging para determinar el número óptimo de dientes que deben ser temporizados. Esto proporciona un rango adecuado de la señal de velocidad en todo el régimen de funcionamiento de la turbina, desde aproximadamente la velocidad de barrido hasta el rango de sobrevelocidad.
Para las turbinas en las que hay un detector de rango estrecho, se debe proporcionar un circuito de detección de velocidad de rango amplio por separado. Normalmente, éste comprende un circuito de bomba de diodos, que proporciona una conversión lineal de la frecuencia a la tensión en un rango requerido desde la velocidad de barrido hasta la velocidad máxima de sincronización. Los sistemas de gobernación de amplio rango pueden funcionar para controlar el run-up por medio de las válvulas de gobernación o de las válvulas de parada de HP. El funcionamiento de las válvulas reguladoras tiene la ventaja de que la cámara de vapor de alta presión se puede «calentar» antes de la admisión de vapor a la turbina, pero esta disposición requiere un control muy sensible en las pequeñas aperturas de las válvulas para proporcionar un aumento suave de la velocidad. El control de las válvulas de cierre de HP permite utilizar una válvula piloto incorporada para el control del vapor en la fase de arranque. Dado que ésta tiene una característica de posición de la válvula/caudal de vapor de menor ganancia, la sensibilidad requerida del controlador de posición de la válvula es menos crítica.
Las instalaciones típicas requeridas por el operador son:
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La capacidad de preajustar la velocidad terminal.
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Un botón de «retención» para que la velocidad pueda mantenerse en el valor actual.
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Un botón de «liberación» para permitir que el run-up continúe.
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La capacidad de preseleccionar las tasas de rampa de velocidad a cualquiera de varios valores (generalmente cinco).
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Un modo de arranque automático; esto puede ser seleccionado como una alternativa a la tasa de rampa fija que requiere una estrecha supervisión del operador de los parámetros de la máquina.
Por lo tanto, como en el caso del regulador de rango estrecho, estos requisitos son convenientemente llevados a cabo por un potenciómetro motorizado convenientemente controlado por el operador. La práctica más reciente emplea el equivalente electrónico del potenciómetro motorizado (mostrado en la Fig 2.14).
FIG. 2.14. Consigna digital de velocidad – diagrama de bloques
El control de velocidad en el terminal del operador proporciona una entrada a dos comparadores de señales C1 y C2, cuya otra entrada equivale a la velocidad demandada. Si no hay diferencia entre estas dos demandas de velocidad, ninguno de los dos osciladores se activa y el contador mantiene su cuenta existente, dando la señal de demanda definida a la salida del convertidor digital-analógico (DAC). Si el operador demanda una velocidad terminal mayor, el comparador correspondiente activa su oscilador asociado para aumentar el conteo hasta que la salida del DAC alcance la velocidad terminal seleccionada por el operador. El efecto es que la salida del DAC se incrementa hasta que alcanza la velocidad terminal, siendo la tasa de incremento proporcional a la frecuencia del oscilador, fijada por el control de la tasa de incremento que también se encuentra en el escritorio del operador. Aunque normalmente hay una selección de cinco tasas de aceleración, el oscilador «inferior» se fija normalmente para dar una única disminución rápida de la velocidad.
La velocidad demandada se compara con la velocidad medida en el amplificador de error de velocidad, cuya ganancia se ajusta de tal manera que se consigue un cambio del 10% en la posición de la válvula para un cambio de aproximadamente el 1% en el error de velocidad de la turbina. Esto implica una ganancia de bucle más baja que el estatismo normal del 4% del regulador de rango estrecho, lo que proporciona un gran margen de estabilidad. El amplificador de error de velocidad actúa a través de los controladores de las válvulas de parada o de gobierno para proporcionar un control preciso de la velocidad real de la turbina a la seleccionada por el operador. Dado que la turbina-generador no está sincronizada durante el arranque, la carga es ligera y, con presiones de vapor casi normales, sólo es necesaria una pequeña proporción de la apertura total de la válvula para alcanzar la velocidad. A menudo se aplica un límite de demanda de vapor durante la puesta en marcha y, si se supera este límite, se alerta al operador de un posible fallo.
Se utilizan habitualmente dos tipos de dispositivos de detección de la velocidad, ambos emplean la detección sin contacto de la rotación de una rueda dentada directamente acoplada al eje principal de la turbina. Por razones de seguridad, la rueda dentada está montada en el extremo de alta presión de la máquina, de modo que en el improbable caso de que se produzca un fallo en el eje o en el acoplamiento, la pérdida repentina de par de carga sería detectada por la sobrevelocidad del extremo de alta presión de la máquina y el regulador actuaría para cerrar todas las válvulas de vapor de la turbina.
El primer tipo de dispositivo de detección de velocidad es el captador magnético que se muestra en la Fig. 2.15. La bobina de detección se enrolla alrededor del polo que dirige el campo magnético del imán permanente hacia la rueda dentada. Se genera una tensión cada vez que se perturba el campo magnético.
FIG. 2.15. Dispositivo de detección de velocidad por captación magnética
Si un diente de la rueda está frente a la pieza polar, el campo magnético es concentrado por el diente. En ausencia de un diente, el campo está menos concentrado. El paso de los dientes de la rueda por delante de la pieza polar hace que el flujo que une la bobina varíe y genere una tensión, que tiene una forma de onda casi sinusoidal a velocidades normales de funcionamiento. Sin embargo, a bajas velocidades la forma de onda estará más distorsionada y por debajo de algún umbral bien definido la salida de la sonda será inadecuada. Esto es aceptable para los propósitos de gobierno ya que las comprobaciones de integridad de la velocidad se incorporan desde una etapa temprana en el rodaje. La amplitud de la tensión de salida de la sonda depende del ajuste de la separación, que debe comprobarse con las recomendaciones del fabricante de la turbina durante las revisiones. En general, un sistema de control analógico triplicado requiere tres sondas; sin embargo, a menudo se instala una sonda de repuesto, que puede sustituirse por una sonda defectuosa mediante una conexión manual mientras está en línea.
El segundo tipo de dispositivo de detección de velocidad es el transductor de proximidad, que consiste en una sonda conectada a una unidad osciladora-demoduladora mediante un cable de extensión de interconexión. La ventaja de este sistema es que puede detectar el paso de los dientes hasta la velocidad cero, lo que puede ser importante en aplicaciones que requieren una velocidad de barrido baja. Sin embargo, el equipo es más complejo y depende del uso de cables de interconexión especialmente recortados entre las dos unidades. El principio de funcionamiento es que el oscilador genera una señal de radiofrecuencia que se irradia en la región de la punta de la sonda. Cuando este campo electromagnético es interceptado por la rueda dentada, se generan corrientes de Foucault en el material y, dependiendo de la presencia o no de un diente, se produce una pérdida de energía variable en la intensidad de la señal de retorno que es detectada por el demodulador.
Un rasgo característico de la mayoría de los reguladores electrónicos es que ejercen un control individual sobre cada válvula de control de vapor en la turbina en respuesta a una señal de demanda de vapor global. Esto permite la comprobación en carga de las válvulas individuales y también la supervisión de fallos con la capacidad de cerrar una válvula en caso de fallo. Aquí se hace una mención especial a las características del lazo de posición de la válvula y su importancia para lograr el control deseado de la carga de la turbina.
FIG. 2.16. Características típicas de flujo de vapor/carga/válvula
La característica deseada es, por tanto, que la entrada de demanda de vapor al controlador de posición de la válvula tenga una relación lineal con el flujo de vapor. Sin embargo, las características inherentes al diseño de las válvulas no son lineales, por lo que hay que introducir una función de linealización de la válvula en el regulador para restablecer la linealidad requerida. En particular, la relación área de la válvula/caudal de vapor no es lineal para valores de relación de presión (a través de la válvula) inferiores al valor crítico. Consulte Kearton, página 628 y la característica típica se muestra en la Fig. 2.16 (b). Dependiendo de la forma de la válvula, también habrá una relación no lineal entre la elevación de la válvula y el área de la válvula, dando la característica mostrada en la Fig 2.16 (c). Para linealizar estos dos efectos, la demanda de vapor se modela mediante circuitos de linealización para dar una característica de la forma mostrada en la Fig 2.16 (d). También se pueden incluir en la compensación los efectos versales adicionales que surgen de la disposición de la palanca que acciona la desconexión de la posición de la válvula.
Cada controlador de válvula individual tiene como entrada las señales de demanda de vapor de la válvula de tres canales. Su función es tomar un voto mayoritario de estas señales para formar una demanda de señal, proporcionar linealización y proporcionar control de posición de la válvula de vapor de la turbina, utilizando la señal derivada de un transductor de posición de la válvula como retroalimentación. Además, se lleva a cabo la supervisión del funcionamiento del votante mayoritario y de los fallos de la servoválvula o del transductor de posición, con la capacidad de apagado automático en caso de pérdida de control preciso de la posición de la válvula.
1.4.1 Procesamiento digital
En los últimos sistemas de gobierno de las máquinas CEGB se emplean dos tipos de procesamiento digital. Ambos proporcionan una medición muy precisa de la velocidad de la turbina y tienen funciones precisas, como las características de linealización de las válvulas de vapor, residentes en el software para mayor precisión y facilidad de configuración.
Un tipo utiliza la configuración modular redundante triplex muy similar a la mostrada anteriormente en la Fig 2.13. Cada canal individual utiliza un módulo combinado de procesador y memoria que es un elemento independiente de velocidad-computación por derecho propio. El módulo también incluye todas las características incorporadas para permitir su uso en el sistema triplex. Los enlaces de bus paralelos se utilizan para la comunicación con los periféricos, mientras que los enlaces seriales seguros proporcionan la comunicación entre canales para la armonización de los mismos y la detección de fallos.
Al igual que con un regulador analógico, la votación por mayoría «2 de 3» se lleva a cabo en puntos clave del sistema. Las variables de control se introducen mediante puntos de consigna que el usuario puede aumentar o reducir. Los puntos de consigna de alta prioridad, como los puntos de consigna de velocidad y carga, están a disposición del operador mediante el acceso directo al procesador. Los puntos de consigna de menor prioridad, que modifican las características de control (por ejemplo, la variación del estatismo), son accesibles a través de un enlace de comunicaciones en serie con el procesador de la interfaz. Los modificadores de control, como la descarga de vacío, se envían a los canales desde el procesador de interfaz a través de enlaces en serie. La temporización del sistema, la sincronización entre canales y el proceso de supervisión de fallos se eligen para adaptarse a las necesidades de una respuesta transitoria adecuada y para permitir un funcionamiento anormal, como el funcionamiento con un canal defectuoso y el subsiguiente restablecimiento del canal.
Al igual que con el regulador analógico, los amplificadores de válvulas individuales aceptan las salidas de los tres canales de velocidad tríplex en forma analógica y las procesan para accionar las bobinas de las servoválvulas en cada válvula de vapor.
El segundo tipo de regulador que emplea el procesamiento digital utiliza una configuración completamente diferente. Se proporciona un regulador de velocidad básico de un solo canal para cada válvula de vapor. En este nivel, denominado regulador de nivel básico (BLG), existe una alta integridad debido a la redundancia múltiple y a las comprobaciones de error incorporadas que inician el cierre de la válvula de vapor relacionada en caso de fallo del canal de la válvula.
En el nivel de control superior (UCL), un único procesador de unidad proporciona todas las demás funciones necesarias en un sistema de regulación. Todas las interfaces con el operador y la planta, excepto las señales básicas conectadas directamente al BLG, son procesadas por el UCL. Las órdenes de salida de la UCL para modificar la velocidad, la carga o el modo de funcionamiento surten efecto a través del BLG, pero sólo si cumplen los criterios de aceptabilidad almacenados en el nivel de base. Esta forma de regulador digital se muestra en forma de diagrama en la Fig 2.17.
FIG. 2.17. Microgobernador – diagrama de bloques
El hardware y el software del BLG son totalmente estándar para todas las aplicaciones mientras que, en la UCL, el hardware es un minicomputador estándar pero el software incorpora todas las funciones y parámetros especiales de la aplicación. Una característica particular del diseño es la capacidad del UCL de proporcionar comunicaciones al operador a través de un panel de visualización de múltiples caracteres. Esto permite que el operador reciba indicaciones interactivas para cada modo de operación y le permite ver la respuesta a sus acciones. Además, se dan detalles precisos de cualquier alarma de fallo del regulador que pueda producirse. El operador también puede seleccionar formas particulares de visualización, por ejemplo, para facilitar la puesta en marcha de la turbina.
El canal BLG incluye todo el hardware y las rutas de señales desde el bus de señales de la sonda de velocidad hasta la servoválvula electrohidráulica de su relé de válvula de vapor asociado. Además de validar las entradas de datos del UCL, el BLG incorpora amplias funciones de autocomprobación. En caso de fallo, la válvula de vapor se cierra por un medio independiente a través de su propio hardware de vigilancia a prueba de fallos.
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