Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, V Edición 2016, No. 5 (15)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 5 Vol. 1 / 2016 (15) ISSN 1390 - 7395 (5/15)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
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SANTANA E.,MARRENO S.,VEGA V.,GONZALEZ I., PROPUESTA DE CONTROL EFICIENTE DEL AIRE DE COMBUSTIÓN EN UNA
PLANTA DE HORNOS DE REDUCCIÓN
PROPUESTA DE CONTROL EFICIENTE DEL AIRE DE COMBUSTIÓN EN UNA
PLANTA DE HORNOS DE REDUCCIÓN
PROPOSAL THE EFFICIENT CONTROL OF COMBUSTION AIR IN THE PLANT
OF REDUCTION FURNER
Enrique Santana López
1
, Secundino Marrero Ramírez
2
, Orlando Vega Arias
3
, Iliana A. González Palau
4
1
Universidad de Camagüey, Cuba– Dpto. de Ing. Eléctrica, Circunvalación Norte Km 5 ½, Camagüey, Cuba
2,4
Universidad Técnica de Cotopaxi, Dpto. de Ing. Eléctrica, Av. Simón Rodríguez s/n Barrio El Ejido Sector San Felipe
3
Departamento de Mantenimiento, Empresa Comandante Ernesto Che Guevara, Moa. Holguín
e-mail:
1
enrique.santana@reduc.edu.cu,
2
secundino.marrero@utc.edu.ec,
3
ovega@ecg.moa.minem.cu,
4
iliana.gonzalez@utc.edu.ec
RESUMEN
El trabajo analiza la ineciencia del
control manual en el sistema de aire
de combustión utilizado en los hornos
de una planta de reducción de níquel a
través de la estrangulación de un dámper
y el uso de válvulas manipuladas por el
operador, donde los ventiladores del
sistema de suministro de aire, trabajan
a plena capacidad todo el tiempo, lo que
produce un gasto innecesario de energía
eléctrica. Por otra parte, la demanda es
variable y difícil de programar, por ello
se propone una alternativa que consiste
en controlar el accionamiento de los
ventiladores a través de variadores de
velocidad y diseñar un lazo de control
que permita establecer la demanda de
aire a partir de una medición indirecta
del ujo, usando la presión como variable
controlada. Se analiza la factibilidad de
la inversión a partir de ahorro de energía
eléctrica.
Palabras clave
Aire, ventiladores, control, combustión,
algoritmo.
ABSTRACT
The inefciency of the current
combustion air control system, that
uses this Plant for the reduction of
Nickel, is demonstrated. It is manual;
the unnecessary air is strangled through
valves that are manipulated by the
worker, while the fans work to full capacity
the whole time, producing unnecessary
electric power consumption. On the
other hand, the demand is variable and
difcult of programming. An alternative
is proposed that consists on to control
the working of the fans through motor
speed controllers and to design and to
implement an algorithm that allows to
establishing the demand of air using
an indirect mensuration of the ow and
the pressure like output variable. The
feasibility of the investment is analyzed.
Keywords
Air, fans, control, combustion, algorithm
1. INTRODUCCIÓN
En las plantas productoras de níquel
con tecnología carbonato amoniacal, la
sección de hornos de reducción permite
la liberación de los óxidos presentes
en el mineral laterítico alimentado,
que luego de ser reducido, continúa
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el proceso tecnológico en la planta
de lixiviación amoniacal. En el caso
particular de la empresa estudiada,
se cuenta con un total de 24 hornos
agrupados en tres losas de 8 hornos
cada una, 12 transportadores rotatorios
e igual número de enfriadores.
El proceso de reducción se efectúa en
hornos de hogares múltiples tipo PM 17
K-6, 8, de 23,5 m de alto y 6,8 m de
diámetro, con 17 hogares o soleras.
Para alcanzar el perl de temperatura
requerido y lograr una atmósfera
reductora, existen 10 cámaras de
combustión en cada horno, donde se
quema el petróleo con un nivel de
aireación del 60% para lograr una
combustión incompleta y garantizar la
presencia de una atmósfera reductora
(compuesta por CO e H2) con los niveles
requeridos del perl de temperatura a
todo lo largo del horno en los diferentes
hogares pares.
El aire de combustión es generado
en cada una de las tres losas por una
batería de 3 ventiladores centrífugos
accionados por motores de 220 kW cada
uno (de los cuales siempre trabajan dos
y uno está de reserva) y entregan el
aire a las cámaras a través de un ducto
colector.
Se analiza el sistema actual de
regulación del ujo de aire en función de
los niveles de demanda que presentan
las cámaras, donde la tecnología de
control actual establece el ujo de aire
con la regulación del caudal a partir de
un dámper (válvula electrohidráulica),
que de forma manual se utiliza para jar
la presión en el colector principal
El problema abordado en la investigación
se relaciona con la ineciencia en el
uso de la energía eléctrica asociada
a los motores asincrónicos que están
acoplados a los ventiladores centrífugos,
debido al empleo del dámper y el
estrangulamiento del ujo de aire para
establecer el caudal requerido en el
sistema, accionado manualmente, lo
que regularmente requiere el empleo
de un ventilador a toda capacidad y
un segundo ventilador con un ujo
variable, debido a que no siempre están
trabajando todos los hornos, ni todas las
cámaras, esto pone de maniesto que
la demanda es variable y resulta difícil
de programarla con antelación. [1]
La regulación de las prestaciones de los
ventiladores en la actualidad se realiza
mediante los siguientes sistemas:
• Regulación por compuertas.
• Regulación por By-Pas.
• Regulación de velocidad.
• Variación del ángulo de los álabes.
Escoger uno u otro de estos sistemas
depende de un conjunto de criterios
relacionados con la zona de regulación, el
ahorro energético, coste de la inversión,
y ruido entre otros.
La tabla 1, presenta los tipos de
regulación más usados y las zonas de
trabajo recomendadas para cada uno
de los sistemas mencionados [ 3]. Como
se puede observar, existen tres tipos
de regulaciones aplicables al ventilador
centrífugo, destacándose la regulación
de velocidad que posee la ventaja de
permitir una mayor zona de regulación.
Esto hace que el uso de variadores
de velocidad sea una de las vías más
utilizadas en la actualidad para obtener
un mayor rango de regulación y reducir
de forma considerable el consumo de
energía en los accionamientos de las
turbomáquinas.
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Tabla 1. Comparación de los tipos de ventiladores.
Ventilador
Sistema de
regulación
Zona de
regulación
posible %
Zona
regulación
recomendada
%
de a de a
Centrífugo
y
helicoidal
Compuerta 100 70 100 90
BY-PAS 100 0 100 80
Regulación
de
velocidad
100 20 100 20
Helicoidal
Ángulo de
álabes
100 0 100 0
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Control del ujo de aire a través
de la regulación de velocidad en el
ventilador.
Si se realiza una comparación entre la
regulación del ujo de aire por dámper
y la regulación de ujo por medio de
variadores, se pueden obtener las
curvas mostradas en las guras 1 y 2,
donde se puede deducir que el control
con variadores de velocidad es más
factible que las compuertas dámper ya
permite una regulación más eciente
al lograr una mejor utilización de la
potencia de entrada como lo muestra la
función exponencial con relación al ujo
de la gura 2. [2]
Figura 1. Requerimiento de potencia utilizando
dámper.
Figura 2. Requerimiento de la potencia utilizando
variador de velocidad.
En [1] y [3] se plantea la regulación
de la velocidad en los ventiladores
centrífugos con variadores de velocidad,
proponiéndose utilizar un sensor de
presión para controlar el aire que llega
a la red sin denir el intervalo posible
de trabajo de esta variable, ni los puntos
de medición en la red para sintonizar
el variador y establecer el ujo según
la demanda del sistema, que como se
arma anteriormente, no permanece
constante en la red que presenta un
conjunto de ramales y válvulas para
alimentar las diferentes cámaras de
combustión de los hornos de una losa.
[1]
El objetivo del presente trabajo es evaluar
un sistema de control para regular de
forma eciente el ujo de aire generado
por los ventiladores en la planta y
demostrar que, entre las alternativas
factibles antes mencionadas, el uso
de variadores de velocidad para el
accionamiento, trae consigo un conjunto
de ventajas tales como: exibilidad en
el manejo, facilidad de mantenimiento
y ahorro en consumo de energía, por
lo que su empleo produce un notable
incremento de la eciencia energética y
reduce costos del sistema de suministro
de aire.
Además, se deende la hipótesis que
el diseño de un sistema de control
para el accionamiento, con el uso de
variadores de velocidad acoplados
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a los ventiladores permitirá en una
segunda etapa, incorporar un algoritmo
inteligente, que pueda establecer la
demanda a través de la medición del
ujo de aire, el número de cámaras
en funcionamiento y la presión para
así optimizar el consumo de energía y
asegurar el aire demandado en cada
momento.
Para evaluar la factibilidad del control de
velocidad y el algoritmo de regulación
del ujo de aire se procederá a utilizar
la modelación y simulación en MATLAB.
2016.
3. ESTUDIO DE CASO
La instalación a evaluar tiene el control de
los ventiladores a través de la regulación
manual por compuertas (dámper) a la
entrada. Estas compuertas hacen que el
aire, se mueva en más de una dirección,
creando unos remolinos que no siempre
se mueven en la misma dirección de los
álabes del ventilador y esto inuye en
el funcionamiento eciente del conjunto
compuerta-ventilador.
En el sistema de aire de combustión
de la planta se encuentran 9 motores
asincrónicos trifásicos de inducción de
rotor bobinado con las características
mostradas en la tabla 2.
Tabla 2. Características de los motores.
Datos de los motores en los ventiladores
Tipo de
motor
Pn;
[kW ]
Un
[V]
In
[A]
N
r.p.m
F. P
3AFP315M-4 359 220 440 1775
0.87
Los ventiladores centrífugos poseen
como principales parámetros: la
velocidad de rotación, el diámetro de
la hélice o rodete, las presiones totales
estática y dinámica, el caudal, la
densidad del gas, la potencia absorbida,
el rendimiento y el nivel sonoro. En
general estas turbomáquinas son
capaces de manejar presiones altas con
caudales más bien bajos. En la gura 3
se observa una curva característica de
un ventilador centrífugo y se observa
como la suma de la presión estática (Po)
y dinámica (Pd) dene la presión total
del sistema (Pt).
Figura 3. Curvas características de un
ventilador
Para trazar la curva característica de un
ventilador y disponer de los distintos
caudales que él puede manejar, se
ensaya el mismo variando la carga
desde el caudal máximo al caudal cero.
Todos los pares de valores obtenidos
caudal-presión se llevan a unos ejes
de coordenadas, obteniéndose la curva
característica. La gura 4 representa
una curva típica donde se muestran
grácamente las presiones estáticas,
que representan las pérdidas de carga
totales, dinámicas y también se observa
una curva de rendimiento mecánico [3].
La característica de un ventilador indica
su capacidad en función de la presión
que se le exige.
Tomando como referencia la gura 4, la
zona de trabajo idónea de un ventilador
es el tramo A-B de su característica. Entre
B y C su funcionamiento es inestable, el
rendimiento desciende de forma
rápida y aumenta notablemente el
ruido; por ello en muchos catálogos
se representa sólo el tramo ecaz de
funcionamiento obviando el tramo hasta
la presión máxima.
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Figura 4. Representación de las presiones
estáticas
Para denir el punto de trabajo del
ventilador es necesario tener la
característica de red de tuberías y
seleccionar el valor de la presión del
ujo requerido para poder jar el punto
de trabajo del sistema. En la gura 5 se
muestra la red del sistema de tuberías
de la planta de horno en estudio, las
cuales presentan diferentes diámetros
por secciones, lo que resulta necesario
para evitar caídas de presión, por otro
lado, en la tabla 3 se muestran los datos
geométricos de las mismas.
Figura 5. Diagrama de tuberías con diferencias de
diámetro en una losa de 8 hornos.
Tabla 3. Datos geométricos de las tuberías
Tipo de
sección
Diámetro
(m)
Longitud
(m)
A 1.22 36.20
B 1.02 11.40
C 0.820 370
D 0.63 41.40
E 0.53 3.48
F 0.426 18.70
G 0.325 294.00
TOTAL 405.88
Análisis de factibilidad del uso de
variador de velocidad.
Si se dispone de la característica
resistente del sistema, se puede
encontrar el punto de trabajo de un
ventilador acoplado al mismo, al
superponer las curvas características del
ventilador y la resistencia del conducto.
[4].
Para construir la característica resistente
del sistema se debe partir del hecho
que, en las instalaciones de ventilación,
la pérdida de carga que se origina,
varía proporcionalmente al cuadrado
del caudal que uye a través de la
canalización. Entonces para conocer
el punto de funcionamiento de un
ventilador es indispensable disponer de
las curvas características del ventilador.
[5], [6].
Para denir el ujo de aire del ventilador
estudiado en relación al punto de trabajo
teórico recomendado, se analizaron
las mediciones realizadas por [6] en
el colector principal para los casos en
que trabajan 3 y 2 ventiladores con
diferentes combinaciones de estos
en una losa sin variar el estado de las
válvulas de la red. Un resumen de los
resultados obtenidos en las mediciones
es mostrado en la tabla 4, donde se
observa que los valores de presión se
encuentran entre 11 y13 kPa. [1].
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También se realizó mediciones en otros
puntos de la red para determinar las
presiones de trabajo y poder establecer
la relación entre presión y ujo de
aire del sistema que permite el buen
funcionamiento de las cámaras de
combustión, acorde con el balance de
oxígeno requerido en los quemadores
de combustión incompleta. Para
registrar las caídas de presión se utilizó
un medidor de presión diferencial de la
rma SIEMENS, modelo SITRANS con
lectura digital y rango de medición de
1 - 2,56 mbar, los resultados de las
mediciones realizadas en 5 tramos de la
red son mostrados en la tabla 4 .
Tabla 4. Valores de velocidad obtenidos 5 tramos de
diferentes transiciones de la red
P(kPa)
Q ( m3/s)
Valores de velocidad obtenidos en las
diferentes transiciones de la red (m/s)
Tubo
1
1,22
[m]
Tubo
2
1,42
[m]
Tubo
3
1,42
[m]
Tubo
4
1,22
[m]
Tubo
5
1,63
[m]
v1 v2 v3 v4 v5
Tres ventiladores funcionando
acoplados en paralelo
14,47
28,31
24,23 17,88 17,88 24,23 17,33
Dos ventiladores funcionando acoplados
en paralelo
12.06
22.65
19,38 14,31 14,31 19,38 13,86
La desviación del valor nominal de
trabajo de la red se presenta debido a
la regulación del dámper en relación a
la cantidad de hornos trabajando en el
sistema, el ujo de mineral y el ajuste
de la relación aire combustible en los
quemadores, también esto se relaciona
con la cantidad promedio de cámaras
que trabajan en una losa, que puede
oscilar entre 70 y 80 como máximo,
cuando trabajan todas las cámaras en
los hornos
Tabla 5. Mediciones de presión en la salida del ducto
colector.
Prueba
No
Presión en
el colector
principal
(Kpa)
Cantidad de
ventiladores
trabajando en
la losa # 2
1 13,45 3
2 13,65 3
3 13,54 3
4 11,5 2
5 11,52 2
6 11,36 2
7 11,75 2
8 11,8 2
Para el análisis del punto de trabajo se
consideraron las curvas obtenidas por la
rma PRIOR durante la instalación del
sistema, donde se realizó pruebas del
sistema con la operación de uno a tres
ventiladores para realizar los ajustes
de la red y establecer los parámetros
de trabajo asociados con la presión
en los diferentes puntos del sistema
la red y el caudal de aire necesario,
estas curvas son mostradas en la gura
6. Como resultado del trabajo [6] se
obtuvo experimentalmente la relación
lineal existente entre el ujo de aire y la
potencia que se observa.
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Figura 7. Relación (Ptotal) y (Q) para dos
ventiladores
A partir de las mediciones del consumo
de energía de los ventiladores que
registra el sistema de supervisión de la
planta y considerando para los cálculos
de las pérdidas de energía, el valor
promedio de la potencia del ventilador
requerida que oscila entre 165 kW y 170
kW en su régimen de trabajo continuo,
entonces la cantidad de energía
promedio desperdiciada diaria para
el caso del ejemplo de un ventilador
(en la gura 8) puede ser reducida en
aproximadamente 960 kWh. Con esta
valoración se concluye la viabilidad del
uso del variador si se considera que el
costo del kWh en la empresa es de 0,15
USD y que los dos ventiladores trabajan
24 horas de forma continua todo el año.
También se debe señalar que las reservas
de energía son aún mayores, si además
de sustituir el dámper se optimiza el
ujo requerido por el sistema, diseñando
e implementando un algoritmo que
permita establecer la demanda de
aire a partir de una medición directa
o indirecta del ujo, usando la presión
como variable de salida. Esto conllevaría
a una reducción mayor de la potencia
entregada por el variador. [8], [9]
Figura 8. Curva del punto de trabajo para
determinar potencia de entrada con relación al ujo
Para evaluar la viabilidad del control
automático se realizó una simulación
en MATLAB con el esquema mostrado
en la gura 10, donde el ajuste de la
velocidad requerida se realiza mediante
un variador con un regulador PI para
establecer las diferentes demandas
de ujo de aire, que se determinaron
a través de los modelos obtenidos de
las curvas red – ventilador y potencia
- ujo de aire del sistema mostradas
en las guras 8 y 9. En la selección del
algoritmo de control se consideran los
Figura 9. Curva del punto de trabajo del sistema
red- ventilador
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estudios realizados por [6], [9] donde se
determina la característica del sistema
red – ventilador para jar el punto de
trabajo y se compara la efectividad
en el uso de diferentes algoritmos de
regulación para controlar un ventilador
centrífugo con variador de velocidad,
aquí se demuestra la efectividad de
la regulación PI y PID. Utilizando la
relación presión – ujo se determinaron
diferentes velocidades para la tarea del
sistema de control simulado de la gura
10.
Para la simulación también se asume un
torque constante de 900 rad/s a partir
de 0,5 segundos, donde la velocidad
angular comienza en 500 r.p.m, para
variar en los instantes 1, 3, 4 y 7 segundos
en los valores de 600, 700, 400 y 900
r.p.m respectivamente. Estos resultados
son mostrados en la gura 11, mientras
que el comportamiento de la potencia y
el ujo de aire se observan en la gura
12, que reeja cómo se puede reducir
la potencia de entrada en función de la
velocidad requerida para establecer el
ujo necesario. [10], [12, [13].
Figura 10. Esquema de simulación del
accionamiento motor – ventilador con un control de
velocidad P I
Figura 11. Variaciones de la velocidad y torque en el
sistema.
Figura 12. Variaciones de potencia y ujo de aire
para los valores de velocidad establecidas por el
variador.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Al analizar la reserva de energía
existente con relación al punto de
trabajo del sistema ventilador – red
de suministro de aire en presencia del
variador de velocidad, se conrman los
resultados ya obtenidos por [12], [14]
en un banco de prueba experimental.
En relación al tipo de control, se pudo
comprobar en la simulación que con la
incorporación del lazo de regulación PI
es posible estabilizar el ujo de aire en
función de la demanda, considerando
como variable de control la presión a la
salida del ducto colector y esto es posible
por la relación existente entre estos
parámetros siempre y cuando no varié
el estado de la válvulas y accesorios
de red que conllevarían a una variación
de la curva de resistencia de la red.
Entonces al poder jar los valores de
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velocidad del ventilador en función de
la demanda de ujo del aire, se podrá
incrementar la eciencia energética de
este sistema.
El lazo de control puede suplir las
dicultades del control manual, al poder
variar on line la velocidad requerida y
esto representa sin dudas una reserva
más que existe en este sistema,
producto del comportamiento variable
de la demanda de aire.
5. CONCLUSIONES
• El control de ujo de aire actual en
los ventiladores con dámper presenta
reservas de energía en valores
superiores al 22% del consumo
actual en comparación con el uso de
un variador de velocidad para regular
el ujo de aire.
• El régimen de trabajo de la planta
tiene una dinámica variable en cuanto
al funcionamiento de las cámaras
de combustión y los hornos, que en
ocasiones trabajan con diferentes
productividades. Esto justica la
necesidad de implementar un control
automático para establecer el ujo de
aire requerido en cada momento y así
hacer un uso racional de la energía
consumida por el accionamiento en
el sistema de aire de combustión.
• Es posible alcanzar en un ventilador
un ahorro diario del 22,2 % del
consumo nominal por concepto del
cambio de regulación. Estas reservas
en la planta son superiores si tenemos
en cuenta que en la misma existen 6
ventiladores que trabajan en régimen
continuo.
• El uso de un controlador PI es factible
para regular el ujo de aire en
función de la presión existente en
el ducto colector a la salida de los
ventiladores.
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ujo de aire de combustión en
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de la
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Edición). Provença, 392 pl.1y2
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Disponible: www.salvadorescoda.
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[5] Nicotra Gebhardt S.p.A, ABN: 61
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Disponible: www.priorindustries.
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Mechatronics Handbook”, University
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2010. Disponible: www.uniovi.es.
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en Motores de Inducción en el
Accionamiento de Ventiladores
Centrífugos. Revista Técnica
“energía”. No 11, 2015. Pp. 85-91.
ISSN 1390-5074.
[13] LencinasA. P. Control de velocidad
V/HZ bidireccionalde un motor de
inducción monofásico utilizando
MC68HC908MR32. XXII Congreso
Argentino de Control Automática.
AADECA. 2010.Gaite D. L. Eciencia
Energética Drives&Motors. ABB.
2012.
7. BIOGRAFÍA
1
Santana L. E. Ingeniero en Automática,
Telemecánica y Comunicaciones,
Moscú, URSS, 1983, Master en
Ciencias Técnicas, Profesor Auxiliar,
Departamento de Ingeniería Eléctrica,
Universidad de Camagüey, Cuba
2
Marrero R. S., graduado de Ing.
Electrónica Industrial en 1983 del
Instituto Politécnico de Kiev. PhD. en
automatización, graduado en 1989 de
la Universidad Estatal de Minas de Sant
Petersburgo, Rusia. Docente de tiempo
completo de la Carrera de Ing. Eléctrica
en la UTC, Ecuador. Investiga en eciencia
y calidad de la energía eléctrica,
optimización y automatización industrial
3
Vega A. O, Ingeniero Mecánico, Moa,
ISMMM, 1997. Profesor Adjunto del
Dpto. Mecánica ISMMM. Posgrado de
MSc. en Electromecánica graduado en el
ISMMM. Trabaja en el Departamento de
Mantenimiento, Empresa Comandante
Ernesto Che Guevara, Moa. Holguín, Cuba.
4
González P. I., Graduada de Ing.
Electricista del Instituto de Minas de
Moscú 1983. Es graduada de PhD. en
Ing. Eléctrica en 2011 de la Universidad
Estatal de Minas de Sant Petersburgo,
Rusia. Actualmente es docente de
tiempo completo de la Carrera de Ing.
Eléctrica en la UTC, Ecuador. Su área de
interés incluye optimización de sistemas
eléctricos, eciencia energética
y calidad de la energía eléctrica.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 26 junio 2016
Fecha aceptación 18 diciembre 2016
SANTANA E.,MARRENO S.,VEGA V.,GONZALEZ I., PROPUESTA DE CONTROL EFICIENTE DEL AIRE DE COMBUSTIÓN EN UNA
PLANTA DE HORNOS DE REDUCCIÓN
