En este artículo se presentan los resultados de la implantación del Sistema de Control Optimizado Adaptativo ADEX para control de la combustión de biomasa en la caldera de la planta de Sangüesa (Navarra) operada en propiedad por Acciona Energía.

El sistema ha logrado estabilizar el control de la potencia generada por la planta. Esto ha mejorado la homogeneidad de la combustión y, en consecuencia, se ha reducido significativamente el consumo de biomasa por MWh producido; evitado la activación de medidas de protección utilizadas por el sistema de control convencional; e incrementado la energía neta producida. Estos resultados aportaron un considerable beneficio económico que permitió amortizar el proyecto en menos de un año.

Sangüesa: generación eléctrica con biomasa

El proceso de generación eléctrica en la central térmica de biomasa de Sangüesa (CTB Sangüesa) se efectúa mediante la quema de fardos de paja en el hogar de una caldera de parrilla móvil. La temperatura de los gases de combustión, que recorren la caldera, calentará consecutivamente el fluido circulante por el interior de los sobrecalentadores, del calderín y del economizador, generando vapor vivo a alta temperatura a la salida del último sobrecalentador. El vapor vivo resultante se introduce en las turbinas donde se genera la potencia que finalmente se entrega a la red.

Gráfico: La Central Térmica de Biomasa de Sangüesa (CTB Sangüesa) genera energía eléctrica a partir de la combustión de fardos de paja en el hogar de una caldera de parrilla móvil.

Gráfico 1: La Central Térmica de Biomasa de Sangüesa (CTB Sangüesa) genera energía eléctrica a partir de la combustión de fardos de paja en el hogar de una caldera de parrilla móvil.

Problemática de control

La problemática de control está relacionada con las siguientes características del proceso y su entorno:

1.- Dinámica variable y pérdida de rendimiento por ensuciamiento progresivo de la caldera

A medida que transcurre el tiempo de operación de la planta, y debido al dimensionamiento de los intercambiadores y a la ineficiencia de los sistemas automáticos de limpieza, las cenizas se van acumulando en los intercambiadores, especialmente sobre el economizador.

Esto provoca que la transferencia de calor entre el circuito de gases y el circuito agua/vapor pierda eficiencia y que cada vez se requiera más combustible y más aire, y por lo tanto más tiro, llegándose a saturar progresivamente el ventilador de tiro inducido que extrae los gases de combustión de la caldera.

Este es un proceso cíclico de varios meses de duración al final de los cuales la planta debe parar para extraer las cenizas de los intercambiadores y recuperar su operatividad. Justo antes de que esto suceda se dice que la planta está “sucia”, y después de extraer las cenizas se dice que la planta está “limpia”.

A lo largo de uno de esos ciclos, entre parada y parada de limpieza completa, se toman determinadas medidas de limpieza parcial, como bajadas fuertes de carga o limpieza de algún equipo determinado, aprovechando paradas fortuitas.

Este tipo de medidas, aunque la planta no deja de considerarse “sucia”, se deben tener en cuenta a la hora de valorar el rendimiento de la planta debido a las variaciones dinámicas que introducen en los procesos de la caldera y a su repercusión en el rendimiento de la misma.

2.- Dinámica y rendimiento variables por cambios en la humedad y poder calorífico del combustible

El combustible utilizado para llevar a cabo la combustión en la caldera es muy variable, tanto en calidad como en contenido de humedad. Esto afecta mucho a la dinámica de respuesta de la potencia generada al aire aportado y a la cantidad de combustible utilizado.

En referencia a la calidad se utilizan dos tipos de fardos de paja diferentes:

  • Tipo CLASS, de menor peso y densidad
  • Tipo NEW HOLLAND, de mayor peso y densidad

Además de la calidad del combustible, influye de manera importante en la combustión el contenido en humedad de los fardos de paja, que varía mucho de un fardo a otro (principalmente con los fardos CLASS), pudiendo llegar en ocasiones a duplicar su peso con agua.

3.- Situaciones de operación cambiantes

El contexto de operación cambia frecuentemente a lo largo del día principalmente por tres motivos conocidos:

  • Soplados de vapor. Se utiliza vapor de la caldera para realizar diversas limpiezas automáticas. Esto provoca una pérdida de presión de vapor y, en consecuencia, una pérdida de producción y eficiencia. Los soplados automáticos tienen una duración de varias horas y se realizan periódicamente varias veces al día.
  • Limpiezas de los filtros. Se limpian los tres filtros de forma independiente y consecutiva, aislándolos del circuito de gases, lo que provoca grandes cambios en la velocidad del ventilador de extracción de gases. La limpieza completa tiene una duración de varias horas y se realizan tras los soplados.
  • Paradas o reducciones al mínimo de la velocidad de una de las cuatro líneas de aporte de biomasa a la caldera por avería, mantenimiento o excesiva humedad de la biomasa.

Sistema de control optimizado adaptativo ADEX

El sistema de control optimizado adaptativo ADEX utilizó la estrategia de control definida en los siguientes puntos:

1.- Control de la combustión

Un bloque de control multivariable actúa sobre la cantidad de biomasa aportada a la caldera teniendo en cuenta el nivel de oxígeno y su evolución, así como la potencia generada y su evolución.

2.- Control auxiliar de la presión de vapor

Un controlador ADEX cierra las válvulas de admisión de vapor a la turbina únicamente si la presión de vapor baja de determinados valores mínimos y mantiene la presión de vapor bajo control.

3.- Control optimizado del aire aportado a la caldera

Un bloque de control multivariable, integrado por 3 controladores ADEX individuales, se ocupa de mantener la depresión en el interior de la caldera al tiempo que aporta el aire necesario para conseguir la potencia deseada sin llegar a caer en la saturación de velocidad del ventilador de tiro inducido.

Sistema de control convencional vs ADEX

Para ilustrar los resultados experimentales obtenidos, las figuras 5 y 6 presentan 24 horas de la evolución de las variables críticas de la central relacionadas con el proceso de combustión, con el sistema de control convencional y con el sistema ADEX respectivamente.

Evolución de la combustión con sistema de control convencional

En la figura 5 puede verse cómo el sistema de control convencional mantiene el oxígeno en su consigna manipulando el caudal de aporte de biomasa. Al no conseguir la potencia deseada va aumentando progresivamente el aire aportado a la combustión hasta que satura la velocidad del ventilador de tiro inducido superando la máxima velocidad soportada por el equipo (escala de la izquierda). La máxima velocidad soportada se indica en la figura mediante una línea blanca horizontal. En ese momento el aire pasa a condiciones nominales perdiendo el nivel de potencia alcanzado durante varias horas.

Debe señalarse que el sistema de control convencional existente, basado en controladores PID, había sido objeto de un diseño y ajuste cuidadoso cercano al año de duración y que había puesto especial énfasis en evitar situaciones de riesgo para la planta a través de un sistema de reglas de protección como la descrita previamente, en la que el aire vuelve al valor nominal y a un modo de control de menor rendimiento.

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Figura 5: Evolución de las variables de la caldera bajo control convencional

Figura 5: Evolución de las variables de la caldera bajo control convencional

Evolución de la combustión con sistema de control ADEX

En la figura 6 puede verse como el sistema de control ADEX mantiene el oxígeno en su consigna actuando sobre el caudal de aporte de biomasa. El bloque de control optimizado de aire aportado a la combustión suministra el máximo aire posible buscando la potencia deseada, evitando al mismo tiempo saturar la velocidad del ventilador de tiro. De esta manera mantiene en todo momento la máxima producción posible y lo más cercana posible a la producción deseada.

Efectos de una mayor estabilidad de la combustión

En la figura puede apreciarse cómo el sistema ADEX confiere mayor estabilidad a la combustión, lo que repercute en un mejor rendimiento del conjunto caldera-turbina gracias a aspectos cómo los siguientes:

  • Menor pérdida de potencia producida en las situaciones operativas perjudiciales como soplados de vapor para limpieza de cenizas o aislamiento de filtros de gases de combustión para limpieza de las mangas de dichos filtros.
  • Menor necesidad de cierre de válvulas a turbina para mantener la presión en caldera, lo que justifica una parte de la mejora de rendimiento en la producción.

Figura 6: Evolución de las variables de la caldera bajo control ADEX

Figura 6: Evolución de las variables de la caldera bajo control ADEX

Conclusiones

  • A pesar del carácter extremadamente cambiante de los procesos de la planta y de las perturbaciones aleatorias y discontinuas que sobre ellos actúan, el sistema de control optimizado adaptativo ADEX ha estabilizado su funcionamiento haciendo la combustión mucho más homogénea, lo que implica un mejor aprovechamiento de la biomasa; es decir, con la misma biomasa se obtiene más potencia.

  • La mayor estabilidad en la operación alcanzada evita la activación de medidas de protección utilizadas por el sistema de control convencional para evitar accidentes, como actuaciones sobre el tiro forzado para evitar depresiones peligrosas en presencia de saturaciones del ventilador de tiro inducido, o sobre la válvula de admisión a turbina para proteger el calderín de bajadas excesivas de la presión.

  • Se ha constatado experimentalmente mediante pruebas comparativas rigurosas que el funcionamiento del sistema ADEX en las diferentes condiciones de operación de la planta redunda, por una parte, en un incremento de la energía neta producida diariamente y, por otra, en una disminución del consumo específico de biomasa por MWh producido.

  • Como resultado de las mejoras indicadas previamente, la operación del sistema ADEX se traduce globalmente en un beneficio económico considerable que permite amortizar el proyecto en menos de un año.

 

Juan M. Martín/
Chairman 
ADEX

www.adexcop.com

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