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Control inteligente de redes térmicas de biomasa

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Presentación realizada por Enrique Martín. Ingeniero de Estudios y Eficiencia Energética en Veolia, en el 11 Congreso Internacional de Bioenergía "Bioenergía 4.0: Retos y Oportunidades" www.congresobioenergia.org

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Control inteligente de redes térmicas de biomasa

  1. 1. 2
  2. 2. - Redes de calor con biomasa 3 Red Municipal de Orozco Ecoenergies - Barcelona Biocen - Burgos Vidal - Murcia Hospital de Vigo DH – G. FASA DH – Torrelago DH – Móstoles
  3. 3. El Hubgrade • Centro de Control de Veolia • Dispone de 3 sedes (Madrid, Bilbao y Barcelona) 4 • Procedimientos y metodología de trabajo comunes, además de configuraciones adaptadas a las necesidades de cada filial. • ¿Cómo opera?
  4. 4. El Hubgrade - ¿Cómo opera? 5 CLIENTE MANAGER •Creación , gestión y distribución de hojas de operación •Plan de acción de emergencia ANALISTA •Control y análisis de la información •Señales de alarma en caso de mal funcionamiento •Plan de acción correctivo HUBGRADE Reporting •Información al cliente vía web. OPERARIOS •Intervenciones en campo EDIFICIO •Conexión Wi-Fi •I Cloud •HDSPA+/3G •ADSL •etc UNIDAD TÉCNICA UTILIZACIÓN DE RECURSOS CENTRO DE CONTROL DE ENERGÍA
  5. 5. El Hubgrade – Herramientas 6 Control Remoto de Instalaciones (SCADAs) Gestión Energética Análisis Global (Business intelligence) Todo esto nos permite conocer mejor el funcionamiento de nuestras instalaciones y establecer modelos de demanda de nuestras instalaciones de cara a maximizar los rendimientos de las instalaciones.
  6. 6. Control Inteligente 7 Los dispositivos inteligentes se programan solos Son capaces de trabajar sin supervisión humana No son accesibles a la mayoría de los usuarios Su implementación conlleva riesgos en por la falta de conocimiento sobre en sistema
  7. 7. Control Inteligente • Un sistema de control inteligente es aquel que es capaz de ser altamente adaptable ante un conjunto de cambios significantes esperados o no en el sistema, para lo cual debe tener un alto grado de autonomía y ser capaz de operar sistemas complejos. 8
  8. 8. Control Inteligente • Altamente adaptable – Capaz de variar los setpoints o regímenes en función de parámetros de entrada (Ej. Tª Exterior, ocupación, etc) • Cambios significantes esperados o no – Aquellas fluctuaciones en el sistema que cambian de forma considerable y repentina o progresiva el funcionamiento del mismo (Ej. Sobrepresiones, caídas de temperatura, etc) • Alto grado de autonomía – Capaz de funcionar sin necesidad de ser operado manualmente salvo en eventos singulares (Ej. Paradas por mantenimientos, arranque del sistema, etc). • Sistema complejo – Sistema que no es posible modelar exclusivamente a través de ecuaciones diferenciales o en diferencias. 9
  9. 9. Control de Redes Térmicas Existen 3 sistemas principales a controlar: • Generación: Controla la gestión de la trasformación de energía química del combustible en energía térmica del fluido, en las condiciones requeridas por el sistema. • Distribución y almacenamiento: Controla la gestión energética necesaria para ofrecer la energía térmica que requerimos en el momento deseado, evitando inestabilidades en el sistema. • Consumo: Controla la cesión de energía en los puntos de consumo, ya sean estos circuitos de calefacción, serpentines de vapor para proceso, tanques de ACS, etc. Muy importante: Todos los sistemas deben estar interconectados entre sí para poder operar entre sí bajo condiciones de máximo rendimiento. 10
  10. 10. El caso de Torrelago 11 • Distrito residencial en Laguna de Duero (Valladolid) • 31 edificios -> 1,488 viviendas • Estado previo: o 2 redes de calor de gas independientes (5.9 MW + 8.7 MW) o 1 de las redes de calor sin subestaciones o Fachadas sin aislar (1.22 W/m2K) • Rehabilitación: o Solución SATE (0.34 W/m2K) o Creación de nueva central térmica de biomasa (3.5 MW) o Una central de gas de apoyo (arranques, mtto., picos, etc) o Remodelación de la distribución
  11. 11. El principal sistema a considerar es: Calderas 1. Control de la calidad de la combustión – Variación del flujo de biomasa en función de O2 residual y temperatura de cámara. 2. Control de la temperatura de salida del agua – Variación de la cantidad de biomasa introducida en caldera en función de la temperatura de impulsión actual y la de consigna. 12 3. Control del retorno – Variación del régimen de bombeo o de la válvula mezcladora del retorno en función de la temperatura de retorno a la caldera, es decir, trabajar a salto de temperatura variable o caudal variable (valorar según aplicación y casuísticas). El caso de Torrelago – Generación
  12. 12. El caso de Torrelago – Generación 13 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 Carga Biomasa / Aire(%) O2 Residual (%) Carga Inferior Tornillo Aire O2 Residual Zona sin Calefacción nocturna (Carga mínima) – Solo se aporta aire cuando hay demanda de carga. La aportación de combustible mantiene el O2 residual en los márgenes. Zona sin Calefacción diurna – Al existir carga, se introduce aire, y la biomasa para evitar que el O2 se quede fuera de los márgenes establecidos seguimiento cuasi-proporcional) Zona con calefacción – Funcionamiento similar al caso anterior pero existen descensos de biomasa de aportación cuando el O2 baja de forma excesiva Problema: •Limitación por la tecnología (velocidad tornillo, soplantes, suelo, etc) •Dificíl control de O2 residual cuando hay muy baja carga
  13. 13. 1. Control de la temperatura de la inercia – Variación de la distribución en función de la temperatura de almacenamiento de la inercia. 2. Control de la energía entregada • Variación de la distribución en función de la temperatura del retorno. • Variación de la distribución en función de los sistemas conectados. 14 En las redes de calor de biomasa es vital el control de la generación y la distribución debido a la alta inercia de la combustión y su característica heterogeneidad. El caso de Torrelago – Buffers y Distribución
  14. 14. 15 El caso de Torrelago – Búffers y Distribución
  15. 15. El caso de Torrelago – Búffers y Distribución 16 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 4:00:00 4:30:00 5:00:00 5:30:00 6:00:00 6:30:00 7:00:00 7:30:00 8:00:00 8:30:00 9:00:00 9:30:00 10:00:00 10:30:00 11:00:00 11:30:00 12:00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 16:00:00 16:30:00 17:00:00 17:30:00 18:00:00 18:30:00 19:00:00 19:30:00 20:00:00 20:30:00 21:00:00 21:30:00 22:00:00 22:30:00 23:00:00 23:30:00 0:00:00 0:30:00 1:00:00 1:30:00 2:00:00 2:30:00 3:00:00 3:30:00 4:00:00 Tª (ºC) / Q (m3/h) Tª Tanque1-Bot Tª Tanque2-Top Caudal 2º Anillo Zona estable sin Calefacción – El caudal es el base (mínimo + ACS) Zona estable con Calefacción – El caudal es aumentado a otro régimen Zona de regulación con calefacción – Las temperaturas de almacenamiento descienden de un primer nivel y para una de las bombas Zona de regulación con calefacción – Las temperaturas de almacenamiento descienden de un segundo nivel y para las 2 bombas
  16. 16. El caso de Torrelago – Consumo Dentro de cada subcentral de consumo es necesario controlar al menos los siguientes: 1. Control de la temperatura de impulsión - Variación de la apertura de las válvulas de consumo en función de la temperatura consigna. Muy típica en sistemas de calefacción. 2. Control de caudal en circuitos - Variación del régimen de las bombas en función de la consigna de ΔP o Tª de retorno. Común en sistemas industriales. 17
  17. 17. El caso de Torrelago – Consumo 18
  18. 18. El caso de Torrelago – Consumo Calefacción 19 Existe una temperatura superior (o de diseño), que es la que utilizamos para diseñar la instalación, los intercambiadores, estimar las pérdidas, equipos finales (radiadores/fancoils), etc. La temperatura inferior viene limitada por los retornos admisibles en el lado primario, el salto térmico mínimo necesario en los equipos finales, etc. Entre esas temperaturas se escoge un rango de regulación adecuado, generalmente lineal Como buena práctica, los límites de temperatura de impulsión para calefacciones domésticas, se pueden situar entre los 65ºC y los 50ºC (ajustables por confort) en un rango de temperaturas entre la temperatura exterior de diseño y los 15-20ºC
  19. 19. El caso de Torrelago – Consumo Calefacción 20 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 0:00 1:30 3:00 4:30 6:00 7:30 9:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 0:00 1:30 3:00 4:30 6:00 7:30 9:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 0:00 1:30 3:00 4:30 6:00 7:30 9:00 10:30 Tª (ºC) Tª Consigna Temp Impul Zona con calefacción – Se observa un seguimiento de tendencia correcto durante el horario. Sin embargo el sistema tiene fluctuaciones altamente subamortiguadas, obteniendo temperaturas en torno a 1ºC- 2ºC inferiores a las consignadas. Necesario estudiar si estas fluctuaciones son asumibles y si no detectar el problema
  20. 20. El caso de Torrelago – Caudal Consumo 21 0 3 6 9 12 15 18 0 50 100 150 200 250 300 0:00 1:45 3:30 5:15 7:00 8:45 10:30 12:15 14:00 15:45 17:30 19:15 21:00 22:45 0:30 2:15 4:00 5:45 7:30 9:15 11:00 12:45 14:30 16:15 18:00 19:45 21:30 23:15 1:00 2:45 4:30 6:15 8:00 9:45 11:30 Caudal Calef. (m3/h) / ΔP (bar)Potencia Térmica (kW) Potencia Calefacción Caudal Calefacción Presión Diferencial Calefacción Zona de arranque: Las bombas regulan hasta la máxima potencia para dar los 1,5 bar de presión diferencial consignados y logrados. La potencia medida en el primer punto es ‘virtual’ ya que la temperatura de retorno medida es la del circuito frío y la de la impulsión es la que viene ya calentada. Zona de media potencia: La regulación de la bomba baja en torno a un 15%, y la potencia térmica demandada por el sistema es sensiblemente menor también. Zona de baja potencia: La regulación baja en torno a un 15% adicional, ya que la potencia térmica también a descendido sensiblemente. Nota: Las fluctuaciones tipo pulso observadas en el caudal son debidas a la resolución de los datos, ya que es una medida indirecta
  21. 21. El caso de Torrelago – Consumo ACS 22 35 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 6:30 8:00 9:30 11:00 12:30 14:00 15:30 17:00 18:30 20:00 21:30 23:00 0:30 2:00 3:30 5:00 6:30 8:00 9:30 11:00 12:30 14:00 15:30 17:00 18:30 20:00 21:30 23:00 0:30 2:00 3:30 5:00 Tª Depósito (ºC)Orden / Posición V2V (%) Orden V2V ACS Subcentral 7 Posición Real V2V ACS Subcentral 7 Temperatura Deposito ACS Subcentral 7 Consigna ACS Consigna Inferior Control por consigna ACS superior. Cuando se baja de la consigna inferior se abre el tanque y cuando se llega a la consigna de ACS se cierra la válvula. Peligro: Consumos excesivos repentinos pueden descender bruscamente la temperatura del almacenamiento.
  22. 22. El caso de Torrelago – Consumo ACS 23 Control por consigna ACS inferior. Cuando se baja de la consigna de ACS se abre el tanque y cuando se llega a la consigna superior se cierra la válvula. Las caídas de temperatura en los depósitos son menores (3ºC como mucho) Peligro: Sobrepicos de 2 ºC en los depósitos (no preocupante). La optimización de primer nivel sería un control continuo (control inteligente) y no por diferencias (control lógico). La optimización de segundo nivel pasaría por un algoritmo predictivo (autoaprendizaje), dada la periodicidad. 40 45 50 55 60 0 20 40 60 80 100 0:15 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 Tª Depósito (ºC)Orden / Posición V2V (%) Orden V2V ACS Posición Real V2V ACS Tª ACS Consigna ACS Límite Superior
  23. 23. Conclusiones • Un sistema de control inteligente no ha de ser excesivamente complejo. Hay que adaptarse a las necesidades de la instalación. • Los sistemas de control han de estar interconectados entre sí. • Aunque el control de la calidad de la combustión se deje del lado del fabricante, es necesario integrar esa información en nuestro sistema de control, para establecer nuestras propias estrategias y lazos. • En instalaciones de biomasa es crítico asegurar un nivel térmico mínimo en los retornos. • Una inercia bien controlada permitirá adaptarse mucho mejor a las demandas puntas (posibilidad de sistemas auxiliares). • Controlar las temperaturas y caudales de impulsión en los consumos nos puede ofrecer grandes ahorros energéticos. • Los controles por límite inferior o superior no son muy recomendables por sus altas fluctuaciones, salvo en subsistemas singulares (Ej. ACS) 24
  24. 24. 25 • • •

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