1st International Congress of Energy and Environment Engineering and Management, Portalegre (2005)

Diagnóstico Energético de la Operación de Centrales Termoeléctricas Jesús Á. Remiro, Miguel Á. Lozano Grupo de Ingeniería Térmica y Sistemas Energéticos (GITSE-I3A) Dpto. Ingeniería Mecánica, Universidad de Zaragoza, Maria de Luna 3, Zaragoza, España Teléf.: (+34) 976762039 · E-mail: [email protected]

1. Introducción El diagnóstico energético de la operación de las centrales termoeléctricas forma parte de las estrategias de mantenimiento correctivo. Una vez que se sabe, gracias al diagnóstico, del comportamiento defectuoso de los equipos y su efecto individualizado sobre el consumo de combustible de la central, las acciones correctivas aprovechan esta información con objeto de mejorar la operación. El diagnóstico de la operación de un sistema energético consiste en descubrir e interpretar los signos de un mal funcionamiento en los equipos y cuantificar sus efectos en términos de consumo adicional de recursos; es decir, saber dónde, cómo y qué parte del consumo de recursos puede ser ahorrado, manteniendo constantes la cantidad y especificaciones de los productos del sistema, así como los condicionantes externos no manipulables por el operador [1]. Para realizar el diagnóstico no basta con determinar el estado de funcionamiento de la central a partir de pruebas de rendimiento. Además se requiere comparar dicho estado con una situación límite que se denominará estado de referencia. El estado de referencia del sistema se caracteriza por lo siguiente: i) no existen malfunciones o derrotas en los equipos, es decir, los equipos se comportan según diseño aunque no funcionen necesariamente a régimen nominal, y ii) la demanda del sistema, las consignas de control y las condiciones externas no controlables toman los valores de la prueba de rendimiento. El estado de referencia del sistema determina pues el límite de ahorro en el consumo de recursos globales que se puede conseguir con acciones de mantenimiento de los equipos. En este artículo se expone una metodología de diagnóstico para centrales termoeléctricas, se explica su implementación a través de un simulador de procesos y se muestra un ejemplo de aplicación. 2. Diagnóstico energético de los sistemas La teoría del diagnóstico debe explicar la desviación en el consumo de recursos globales con respecto a la referencia. La explicación puede hacerse a partir de las desviaciones que han sufrido las variables medidas en la prueba de rendimiento, pero de este modo resulta difícil inferir las causas de la ineficiencia del sistema energético diagnosticado. Las causas primeras de la desviación en el consumo de recursos globales, a excepción de lo que puedan suponer los efectos de las condiciones ambientales o la programación defectuosa de los sistemas de control, son el mal funcionamiento o derrota de los equipos. Existen diversas teorías que se centran en: i) definir unos parámetros de diagnóstico adecuados para los equipos que sean calculables a través de las medidas, ii) obtener sus desviaciones con respecto a una referencia, y iii) calcular los efectos de éstas sobre el consumo global de recursos. El diagnóstico requiere también un proceso de cálculo matemático que facilite las tareas anteriores. Los procedimientos normativos muestran buenas características para el diagnóstico, como son: i) una definición clara y precisa de las variables, ecuaciones y proceso de cálculo, y ii) una selección apropiada de las medidas a realizar y la instrumentación a emplear. Esto facilita el proceso de cálculo y garantiza la certidumbre de los resultados. La debilidad de estos procedimientos proviene de la rigidez en el tratamiento de la información. No permiten introducir nuevas variables en los procedimientos y con respecto a la definición de la instrumentación de medida, tampoco ofrecen soluciones cuando falla alguna de las medidas, ni pueden aprovecharse las ventajas de disponer de medidas redundantes. Además los procedimientos normativos de los equipos difícilmente realizan el diagnóstico en los términos expuestos, ya que tienen un carácter aislado y local; es decir, aunque son capaces de obtener las desviaciones de sus parámetros de eficiencia con relación al estado de referencia alcanzando un diagnóstico local, no calculan los efectos de estas desviaciones sobre el consumo de recursos globales ya que no contemplan las interrelaciones operacionales. No se puede diagnosticar la totalidad del sistema aplicando solamente los procedimientos normativos de todos los equipos individuales [2]. Para superar estas limitaciones de los procedimientos normativos, a la hora de diagnosticar sistemas energéticos, se deben considerar los puntos siguientes:

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i) Un modelo matemático global que describa el comportamiento del sistema y que incluya entre sus variables las medidas de la prueba de rendimiento y los parámetros de diagnóstico. Para construir este modelo se debe descender a un nivel de desagregación adecuado donde los instrumentos de medida disponibles sean suficientes para describir los fenómenos físicos a partir de sus variables y ecuaciones. ii) Una selección apropiada de los parámetros de diagnóstico. Resulta deseable que las variables elegidas como tales tengan algunas de las propiedades siguientes: a) alerten de las derrotas de los procesos de transformación energética, b) faciliten la explicación del incremento en el consumo global de recursos del sistema y c) se relacionen con las posibles acciones de regulación y mantenimiento. Aquellos parámetros que reflejan las derrotas de los equipos se denominan parámetros de eficiencia de equipos (condiciones internas) y el responsable de la operación del sistema tiene en su mano adoptar las medidas pertinentes de mantenimiento respecto de ellos. Existen otros parámetros (condiciones de control) que reflejan la programación defectuosa de la regulación, haciéndose preciso la actuación del controlador del sistema para corregir sus efectos negativos. El conjunto se completa con los parámetros de diagnóstico sobre los que no hay opción de actuar (condiciones externas) y cuyos efectos no son responsabilidad de nadie implicado en la gestión del sistema. Un buen ejemplo son las condiciones ambientales. iii) Un método numérico de resolución del sistema de ecuaciones del modelo que sea flexible en cuanto al tipo de información capaz de procesar para afrontar las tareas de diagnóstico. Esta flexibilidad no solamente se debe traducir en facilitar la realización del diagnóstico con una prueba de rendimiento definida según la normativa, sino también a partir de medidas tomadas en el transcurso normal de la operación. Se pretende que el método sea capaz de superar el problema de una instrumentación insuficiente, detectar en lo posible la descalibración de los instrumentos de medida y, por otro lado, aprovechar las ventajas derivadas de la disponibilidad de instrumentación redundante; en definitiva, lo que se conoce como reconciliación de medidas. Los métodos de reconciliación de medidas son adecuados porque desacoplan las ecuaciones del método de resolución y de las medidas disponibles [3-6]. 3. Programa de cálculo Se ha planteado un procedimiento de diagnóstico de la operación de centrales termoeléctricas utilizando un simulador del comportamiento de la central que aprovecha las técnicas de reconciliación de medidas. El modelo matemático engloba toda la central y tiene un carácter predictivo a través de las leyes cinéticas de los equipos que permiten describir su mal funcionamiento y conocer la sensibilidad del consumo de combustible frente a cambios en sus parámetros de eficiencia. Para conseguir que estas leyes reflejen la operación se ha realizado el ajuste del modelo a través de las condiciones internas. El simulador comparte características de las dos familias de simuladores de procesos: abierta y cerrada. De la primera aprovecha la flexibilidad en cuanto al tipo de información que es capaz de procesar y la capacidad de reconciliar las medidas. Pero además el simulador tiene un planteamiento cerrado o modular porque en el caso particular de los ciclos de vapor, aunque cada uno tenga sus peculiaridades todos comparten ciertos rasgos estructurales útiles para construir y resolver el modelo matemático. Ello simplifica también la inicialización de variables. Esta metodología facilita: i) generar el sistema independiente y consistente de ecuaciones del modelo, ii) seleccionar el conjunto de variables dato más adecuadas para el cálculo, y iii) plantear una secuencia de resolución de las ecuaciones (consistentes en módulos de cálculo de equipos) para obtener el estado de funcionamiento del sistema de forma rápida y segura. Las tareas de diagnóstico conllevan conjuntos de datos diferentes, lo que produce cambios en el flujo de información a procesar por el simulador [7]. En particular no toda la información de entrada al núcleo del simulador es conocida mientras que otras variables de salida del simulador son conocidas. Para afrontar estas situaciones y en general para aprovechar cualquier instrumentación disponible en la central, el procedimiento de diagnóstico utiliza un proceso de reconciliación de medidas desarrollado por un algoritmo de optimización, cuya función objetivo a minimizar es la suma de los cuadrados de las diferencias entre las variables estimadas que verifican las ecuaciones del modelo y las propias medidas, siendo ponderadas estas diferencias con las inversas de sus respectivas incertidumbres. 4. Resultados En la Tabla II se muestra un resumen de los resultados de diagnóstico de la central termoeléctrica de la Figura 1, obtenidos a partir de las medidas mostradas en la Tabla I. La derrota local de los equipos manifestada a través de la desviación que han sufrido los parámetros de eficiencia f con respecto a sus

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valores de referencia fr (igual a 1 en nuestro caso) nos permite vislumbrar las primeras causas de un mal funcionamiento de la planta. Constituyen una información de carácter local y nos sirve para detectar posibles problemas existentes en los equipos. Mediante simulación, modificando dicho parámetro hasta el valor de referencia manteniéndose constantes el resto de las condiciones internas, externas y de control, podemos estimar el impacto en consumo de combustible I que conllevaría restituir el funcionamiento del equipo a condiciones de diseño (ver Tabla II). Finalmente debe considerarse la incertidumbre relativa de los impactos a la luz de la incertidumbre de los parámetros de diagnóstico y más en concreto de la incertidumbre relativa a la desviación observada σ(f). En el caso estudiado no son fiables los diagnósticos de las bombas del ciclo y del circuito de refrigeración, el ventilador y las caídas de presión en el calentador, lado frío del condensador y economizador, aunque los impactos que originan (menos de 100 kW) no superan el 1 % del impacto total, por lo que no es necesario modificar la instrumentación en este caso. De entre los impactos más importantes cabe destacar el debido al rendimiento isentrópico de la turbina (4167 kW) con una incertidumbre del 27 %, seguido por los correspondientes a la transferencia de calor en el economizador, calentador aire-gases, hogar y por el correspondiente al rendimiento del alternador, con incertidumbres relativas aceptables (