Automatización, mejora y modelado de la molienda de combustible principal de una fábrica de cemento

Abstract

Dentro del grupo de industrias conocidas como electrointensivas se encuentran las fábricas de cemento. Este tipo de instalaciones consumen gran cantidad de energía eléctrica para llevar a cabo el proceso de transformación de la caliza en cemento. Además de energía eléctrica, también consumen combustibles fósiles que deben ser quemados en el horno de cemento, donde se produce la transformación de la caliza en clinker, el componente principal del cemento. El combustible fósil, un derivado del petróleo, petroleoum coke o más conocido por su abreviación pet coke, llega a las plantas con una granulometría y finura inadecuados, por lo que debe ser molturado con anterioridad a su uso. Este proceso de molturación se lleva a cabo en los denominados molinos de carbón, pudiendo ser estos de rodillos o de bolas. Este tipo de instalaciones fueron implantadas en la mayoría de las fábricas de cemento a partir de los años 80, debido a la subida del precio del petróleo tras la crisis de los 70. Desde entonces hasta nuestros días la tecnología ligada al control automático, así como el avance en la electrónica de potencia ha hecho que la parte eléctrica de este tipo de instalaciones industriales se haya quedado obsoleta. En el presente trabajo se llevará a cabo todo el proceso previo de ingeniería que es necesario acometer antes de iniciar un cambio de sistema de control, instrumentación de campo, así como de aparamenta eléctrica de un molino de carbón dentro de una fábrica de cemento. Se trata de una instalación que alberga unos 40 motores, entre los que se encuentran aquellos que arrancan directamente, mediante arrancador suave o mediante variador de frecuencia. Dentro de los dispositivos de instrumentación de campo se encuentran medidores de temperatura, de presión, tanto para gases como para líquidos, de posición, de peso y de vibraciones. Todas las señales generadas, tanto en campo como dentro del centro de control de motores (CCM), deben ser enviadas al sistema de control que gobierne la instalación. Este sistema de control poseerá un SCADA desde el cual el operario de sala de control gobernará el molino. El avance de la tecnología en cuestión de comunicaciones ha hecho posible que grandes cantidades de información puedan ser transmitidas a través de un par de fibra óptica. Por este motivo, el sistema de control elegido está basado en el bus Profibus a través de fibra óptica. La implantación del sistema de control será distribuida, es decir, todas las señales que se generan en campo se irán concentrando en distintas cajas de campo, que se unirán a través de un anillo de fibra óptica junto con las señales generadas en el CCM para terminar en el puesto de control. El trabajo previo del ingeniero comienza con el estudio pormenorizado de la instalación, tanto desde el punto de vista eléctrico como de proceso. En esta fase se obtendrá una imagen de cómo está la instalación antes y cómo se quiere que esté después del cambio. Será necesario listar cada una de las señales que intervienen, definir qué accionamientos quieren cambiarse y por qué tipo, realizar ensayos de proceso sobre la instalación para determinar el modelo que mejor defina los distintos lazos de control y desarrollar la red de Petri correspondiente para, a partir de ella, realizar la programación del sistema de control. Este trabajo puede ser extrapolado a cualquier instalación eléctrica que quiera ser modernizada y puede valer de guía a muchos otros ingenieros. Abstract: Within the group of industries known as electrointensive are the cement factories. This type of facility consumes a large amount of electricity to carry out the process of transformation of the limestone into cement. In addition to electrical energy, they also consume fossil fuels that must be burned in the cement kiln, where the limestone is transformed into Clinker, the main component of the cement. The fossil fuel, a derivative of petroleum, petroleoum coke or more known by its abbreviation pet coke, arrives at the plants with an inadequate granulometry and fineness, reason why it must be milled before its use. This grinding process is carried out in the so-called coal mills, which can be roller or ball mills. This type of installation was implemented in most cement factories since the 1980s, due to the rise in the price of oil after the crisis of the 70s. From then until today, the technology linked to automatic control, as well as the improvements in power electronics have made the electrical part of this type of industrial facilities obsolete. In this master´s thesis all the previous engineering processes necessary to undertake before initiating a change of control system will be carried out, field instrumentation, as well as electrical switchgear of a coal mill inside a cement factory. It is an installation that houses about 40 motors, among which are those that start directly, by soft starter or by frequency inverter. Within field instrumentation devices are temperature and pressure gauges for gases and liquids, position switches, weight and vibration meters. All signals generated, both in the field and within the motor control center (CCM), must be sent to the control system that governs the installation. This control system will have a SCADA from which the control room operator will operate the mill. The advancement of technology in terms of communications has made it possible that a large amount of information can be transmitted through a pair of fiber optics. For this reason, the chosen control system is based on the Profibus protocol via optical fiber. The implementation of the control system will be distributed, that is, all the signals generated in the field will be concentrated in different field boxes, which will be joined through an optical fiber ring together with the signals generated in the CCM to finish at the control room. The engineer's previous work begins with the detailed study of the installation, both from an electrical and process point of view. In this phase it is possible to get a image of how the installation is before and how it is desired to be after the change. It will be necessary to list each of the signals involved, define which drives are to be changed and by what type, perform process tests on the installation to determine the model that best defines the different control loops and develop the corresponding Petri network. Then, this Petri network is used to perform the programming of the control system. This work can be extrapolated to any electrical installation to be modernized and can be a guide for many other engineers.