Puesta en marcha de la caldera

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Puesta en marcha de la caldera

Thema

Extracción y generación

Puesta en marcha de la caldera

La optimización de la puesta en marcha de las calderas de vapor en las centrales

eléctricas de E.ON

Rüdiger Franke, Bernd Weidmann

Hay un proverbio que dice que un

puchero del que se está pendiente

nunca llega a hervir. Sin embargo,

cuando se trata de “pucheros” realmente

grandes, como las calderas

de las centrales eléctricas, la mejor

estrategia de control durante la

puesta en marcha no es precisamente

dejar de mirarlas.

Los esfuerzos de optimización de

las centrales eléctricas se centran

frecuentemente en extraer del combustible

durante el funcionamiento

normal tanta energía utilizable como

sea posible.

Sin embargo, hay otra forma adecuada

para mejorar el rendimiento: la

optimización de los procedimientos

de puesta en marcha. Es un aspecto

importante, puesto que el combustible

utilizado en el arranque suele

ser de mayor calidad y precio que el

destinado al funcionamiento normal.

BoilerMax es un controlador predictivo

que se utiliza para reducir al

mínimo los costes de la puesta en

marcha. Además de los costes del

combustible, también tiene en cuenta

restricciones tales como la carga

máxima admisible sobre los componentes

críticos y los caudales.

Durante los dos últimos años, se ha

instalado BoilerMax en varias centrales

eléctricas de la compañía E.ON,

en las que ha conseguido en general

ahorros de entre el 10 y el 20 % de los

costes de combustible y de la energía

auxiliar que se precisa en la puesta en

marcha.

Revista ABB 1/2008

57


Puesta en marcha de la caldera

Extracción y generación

En los dos últimos años, se ha instalado

BoilerMax en varias centrales de

E.ON y se ha integrado con varios sistemas

de control. En la unidad Staudinger

4 de 622 MW, que utiliza gas [1], y en la

Heyden 4 de 900 MW, que utiliza carbón,

trabaja con un sistema de control

de la unidad Procontrol P. En la unidad

Ingolstadt 4 de 420 MW, que utiliza fueloil,

y en la Zolling 5 de 450 MW, que

utiliza carbón, se ha integrado Boiler-

Max en un nuevo sistema de control

800xA, instalado durante un proyecto

de reforma de la turbina.

1 Principio de funcionamiento del BoilerMax

Caldera real

Entradas

Variables y

entradas del

proceso

Modelo

de

caldera

Variables

optimizadas

Control predictivo de modelo no lineal

con seguimiento cíclico del proceso real

Objetivos de la optimización

Optimizador

Iteración

Función de coste

= mínima

Puntos de

consigna y

entradas

optimizadas

Principio de funcionamiento de

BoilerMax

BoilerMax tiene en cuenta principalmente

el coste del combustible y los esfuerzos

térmicos en los componentes críticos

de pared gruesa, y utiliza estos datos

para calcular los puntos de consigna

óptimos para el suministro de combustible

y el funcionamiento de la estación

de bypass de alta presión (HP) (se puede

desviar el paso por la turbina de alta

presión en el circuito de vapor durante

la puesta en marcha para permitir que

se establezca más rápidamente la presión

en la caldera).

El principio de funcionamiento de

BoileMax se muestra en 1 . Los valores

medidos se utilizan para calibrar un

modelo físico de la unidad. Basado en

este modelo no lineal, BoilerMax optimiza

el resto del procedimiento de

puesta en marcha. Las curvas resultantes

para la puesta en marcha, calculadas en

línea, se integran a continuación en el

concepto de control existente para la

unidad, donde se emplean como puntos

de consigna para corrección.

El horizonte de predicción de BoilerMax

es de 60 a 90 minutos, lo que cubre

toda la duración de la puesta en marcha

de la caldera hasta el momento en que

la turbina recibe el vapor. De esta forma,

se puede calcular el modo de funcionamiento

general más rentable. Los

datos previstos se actualizan cada 1 o 2

minutos, lo que permite una respuesta

adecuada a posibles condiciones de

perturbación.

Los costes de puesta en marcha que se

trata de minimizar son los del combustible,

la energía auxiliar y el vapor

auxiliar, desde el momento del encendido

al de entrada en línea del generador

2 Comparación de dos puestas en marcha con BoilerMax (líneas gruesas) y sin BoilerMax

(líneas finas) en la central de Ingolstadt, unidad 4, con combustión de fueloil.

a Cantidad de combustible (F_F) y posición del bypass de alta presión (Y_HPB)

Energía para la puesta en marcha (%)

250

200

150

100

50

F_F F_F Y_HPB Y_HPB

10

0

0

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

b Caudal de vapor activo (F_LS) y potencia del generador (P_Gen)

Caudal de vapor activo (kg/s)

250

200

150

100

50

F_LS F_LS P_Gen P_Gen

0

0

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

c Diferenciales de temperatura (DT_SH4H) y (DT_SH5H) existentes en los colectores de alta

presión de los dos últimos niveles de sobrecalentador

Dif. de temperatura (K)

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

DT_SH4H DT_SH4H DT_SH5H ST_SH5H

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tiempo para la puesta en marcha (min.)

100

90

80

70

60

50

40

30

20

250

200

150

100

50

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

Posición del bypass de alta presión (%)

Potencia del generador (MW)

58 Revista ABB 1/2008


Puesta en marcha de la caldera

Extracción y generación

o al de cierre del bypass de alta presión.

Con independencia de los ahorros conseguidos,

el controlador multivariable

basado en el modelo permite asimismo

una integración predictiva de los datos

de esfuerzos térmicos en el bucle de

control cerrado. Se mejora el nivel de

flexibilidad, por ejemplo, para cubrir

distintos tiempos de inmovilización, ya

que el modelo se ajusta continuamente

para adaptarse al estado de la central en

ese momento. Además, se puede adaptar

la puesta en marcha a los cambios

en las condiciones básicas, tales como

los distintos costes del combustible o la

carga máxima admisible, modificando

respectivamente la función objetivo y

las restricciones de optimización.

Experiencia operativa

co de costes, característico de las operaciones

sin BoilerMax. Por término

medio, la optimización de la puesta en

marcha se tradujo en una disminución

del 19 % de los costes de esta operación.

Cuando se producen breves periodos

de parada, los costes de la puesta en

marcha son altos debido a la elevada

temperatura que debe alcanzarse en

el vapor activo por la alta temperatura

inicial de la turbina. Sin embargo, los

costes de la puesta en marcha también

aumentan después de largos periodos

de parada, a causa de la baja temperatura

inicial de la caldera.

La disminución del consumo de combustible

que se obtiene a partir de la

optimización de BoilerMax, así como

la menor producción de vapor y, en

algunos casos, la obtención más lenta

de la presión, puede hacer pensar a los

operarios que se ralentiza todo el procedimiento

de la puesta en marcha. Sin

embargo, es importante tener en cuenta

que, durante la puesta en marcha de la

caldera, los puntos de consigna fijados

para el caudal de vapor y la presión se

deben alcanzar sólo cuando la turbina

está a punto de recibir presión. El concepto

de optimización predictiva utiliza

a fondo este hecho.

Los tiempos de puesta en marcha conseguidos

en la unidad 4 de la central de

Staudinger se muestran en 4 . Estas

curvas demuestran que el BoilerMax

no prolonga los tiempos de puesta en

marcha.

Reducción del consumo de combustible

Gracias a la optimización predictiva de

la puesta en marcha, suele ser posible

efectuar una puesta en marcha con

menos combustible, a la vez que se

mantiene el tiempo normal de esa operación

y los esfuerzos en los componentes

críticos de pared gruesa. 2 presenta

una comparación de dos procedimientos

de puesta en marcha en la unidad

4 de la central de Ingolstadt. Los diagramas

muestran claramente que fue

posible efectuar una puesta en marcha

similar, consiguiendo al mismo tiempo

aproximadamente un 20 % de reducción

del consumo de combustible. Estos

ahorros de combustible son posibles

porque se puede disminuir el caudal de

vapor utilizado para la puesta en marcha

gracias a una reducción simultánea

y coordinada de la apertura de la estación

de bypass de HP. Además, se ha

reducido ligeramente la duración de la

puesta en marcha.

Con un nivel de automatización mayor,

conseguido por los procedimientos

optimizados de puesta en marcha, éstos

suelen ser más coherentes. En 3 se

representan los costes de puesta en

marcha en función de la duración de la

parada precedente. La dispersión de los

costes de puesta en marcha se reduce

de forma más evidente en el caso de

paradas frecuentes de corta duración,

con numerosas puestas en marcha que

se producen en condiciones similares.

Los costes optimizados de la puesta en

marcha que se consiguen con BoilerMax

se encuentran en la parte baja del abani-

3 Costes de la puesta en marcha en función del tiempo de parada en la central de Ingolstadt,

unidad 4, de combustión de fueloil, con BoilerMax y sin él

Sin BoilerMax Con BoilerMax

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

Duración de la parada (h)

4 Tiempos de la puesta en marcha en función de las paradas en la central de Staudinger,

unidad 4, con combustión de fueloil, indicada para diez puestas en marcha a lo largo de

un periodo de un mes

Sin BoilerMax Con BoilerMax

2:24:00

2:09:36

1:55:12

1:40:48

1:26:24

1:12:00

0:57:36

0:43:12

0:28:48

0:14:24

0:00:00

0:00:00 24:00:00 48:00:00 72:00:00 96:00:00 120:00:00 144:00:00 168:00:00

Duración de la parada (h)

Revista ABB 1/2008

59


Puesta en marcha de la caldera

Extracción y generación

Reducción de los tiempos de puesta

en marcha

Generalmente, se pueden reducir los

tiempos de puesta en marcha si se puede

admitir una intensificación del proceso

de calentamiento y se acepta un mayor

esfuerzo térmico. Es aconsejable la

aplicación de esta optimización predictiva

de la puesta en marcha a fin de reducir

los tiempos si no se apura el margen

para los esfuerzos térmicos admisibles,

o si la carga se distribuye irregularmente

durante esta operación.

En 5 se presenta una comparación de

dos procedimientos de puesta en marcha

en la central de carbón de Zolling.

Sin BoilerMax, los márgenes para el

esfuerzo térmico no se alcanzaron

totalmente antes del minuto 48. El diferencial

máximo de temperatura en los

colectores de salida de HP era de unos

20 K, mientras que el límite admisible

era de uno 30 K. Sólo durante la carga

posterior de la turbina se alcanzó el

esfuerzo térmico máximo, aproximadamente

en el minuto 60.

5 Comparación de dos procedimientos de puesta en marcha con BoilerMax (líneas gruesas)

y sin BoilerMax (líneas finas) en la central de Zolling, con combustión de carbón

a Cantidad de combustible (F_F) y posición del bypass de alta presión (Y_HPB)

Energía para la puesta en marcha (%)

50

40

30

20

10

0

F_F F_F Y_HPB Y_HPB

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

b Caudal de vapor activo (F_LS) y potencia del generador (P_Gen)

Caudal de vapor activo (kg/s)

F_LS F_LS P_Gen P_Gen

350

160

140

120

100

80

300

250

200

150

60

100

40

20

0

50

0

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

c Diferencia de temperaturas (DT_SH5H) [K], así como valores límites asociados (DT_SH5H_min.)

[K] que se producen en los colectores de salida de alta presión

Dif. de temperatura (K)

20

10

0

-10

-20

-30

-40

DT_SH4H DT_SH4H DT_SH5H ST_SH5H

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Tiempo para la puesta en marcha (min.)

50

40

30

20

10

0

20

10

0

-10

-20

-30

-40

Posición del bypass de alta presión (%)

Potencia del generador (MW)

El límite de ΔT que utiliza BoilerMax

es una función de la presión, valor que

fija generalmente el fabricante de la caldera.

Como opción, se pueden recalcular

los límites durante la modelización

física de la caldera y aprobarlos en consulta

con el propietario de la central.

Como se muestra en 5 , la puesta en

marcha predictiva ha permitido una

mejor utilización del margen hasta los

35 minutos. Esto se ha conseguido aumentando

desde el principio el suministro

de combustible con una proporción

mayor, mientras que al mismo tiempo se

abre más la estación de bypass de HP.

Esto redujo el tiempo de puesta en

marcha en un 33 %. La cantidad de fueloil

pesado necesario para la puesta en

marcha disminuyó en alrededor del 6 %.

Puesto que se une un menor tiempo de

puesta en marcha con una menor demanda

de energía auxiliar (fuel ligero y

energía eléctrica auxiliar), los costes totales

de la puesta en marcha disminuyeron

en cerca del 11 %. Además, hay gran

posibilidad de ahorro en las centrales

alimentadas por carbón si se puede

conseguir antes el pase de la puesta en

marcha con fueloil a la combustión de

carbón. Para conseguirlo, es importante

poder efectuar la puesta en marcha

utilizando una mayor cantidad total de

combustible.

Con la optimización predictiva de la

puesta en marcha, la cantidad de

combustible no aumenta de forma

continua necesariamente, sino que se

puede reducir pasado un exceso inicial

de suministro.

Funcionamiento y vigilancia

La pantalla de control que se utiliza en

la central de Zolling se muestra en 6 .

Las partes superior e izquierda presentan

los parámetros del proceso que son

especialmente importantes durante la

puesta en marcha. El área inferior

derecha se utiliza para la aplicación

BoilerMax en curso. Los valores fijados

del punto de consigna para el control

del combustible y del bypass de HP,

calculados por BoilerMax, se presentan

junto a los valores existentes en ese

momento.

Los valores del proceso que se muestran

en esta pantalla abarcan principalmente

los parámetros de vapor activo y las diferencias

de temperatura en los componentes

con paredes gruesas. Para evitar

60 Revista ABB 1/2008


Puesta en marcha de la caldera

Extracción y generación

El modelo de unidad empleado para la

optimización de la puesta en marcha se

ajustó en línea incorporando de 100 a

200 valores medidos. En general, estas

señales se conectan al sistema de control

del proceso como señales analógicas.

Alternativamente, en la central de

Ingolstadt se ha establecido una conexión

ProfiBus entre el controlador de

turbina recientemente instalado y el sistema

de control de la unidad existente.

La principal ventaja de este acoplamiento

del bus digital es una mayor flexibiliel

amontonamiento de datos en la pantalla,

las lecturas de ΔT se presentan de

forma gráfica (diagramas de barras). La

representación alfanumérica se limita a

los valores máximos de cada nivel del

supercalentador y a los valores límites

asociados.

La presentación de los límites de ΔT es

especialmente importante, ya que estos

valores los utiliza BoilerMax en bucle

cerrado para definir las acciones de control

del combustible y del bypass de HP.

Por lo tanto, es importante presentar la

información sobre el esfuerzo térmico

actual y los márgenes de que se dispone,

de forma que el operario pueda

percibir correctamente los puntos de

consigna calculados por BoilerMax.

Con el nuevo sistema de control 800xA,

los datos predictivos calculados en línea

durante cada puesta en marcha los tiene

disponibles directamente el operario en

su puesto. Los datos previstos para la

puesta en marcha se pueden ver en una

proyección del funcionamiento normal

que representa los valores que se pueden

esperar en el futuro.

Integración en el sistema de control

de la unidad

La predicción y la optimización de los

procedimientos de puesta en marcha de

una caldera que se basan en un modelo

físico implican la aplicación de un

proceso numérico. En consecuencia,

BoilerMax se instala en un PC de alto

rendimiento que esté conectado al

sistema de control de la unidad por

medio de una interfaz de señal.

Desde el punto de vista del software,

ABB ha instalado BoilerMax utilizando

la extensión del sistema Dynamic

Optimization (optimización dinámica)

del Industrial IT Extended Automation

System 800xA de la compañía. Esto asegura

un alto grado de transparencia y

flexibilidad por lo que se refiere a su

capacidad para integrarse en la instrumentación

de la operación y el equipo

de control. En 7 se muestran dos situaciones

de aplicación:

tema System 800xA, se puede integrar el

PC sobre el que se ejecuta el BoilerMax

como un servidor de la aplicación. Esto

aporta una ventaja especial: todos los

ajustes de parámetros y los resultados

de los cálculos, incluidos los valores

previstos para el proceso, se pueden

visualizar e integrar en la pantalla sin un

esfuerzo adicional. Además, esto facilita

que el personal se familiarice con la

solución BoilerMax y el PC se puede

incluir en las rutinas de mantenimiento

normales del sistema 800xA.

En las centrales Ingolstadt y Zolling se

ha integrado el PC del BoilerMax con el

sistema 800xA, que se instaló durante

un proyecto de reforma de la turbina.

En las centrales de Staudinger (unidad 4)

y Heyden, el PC del BoilerMax se conectó

al sistema de control Procontrol P

a través de una interfaz serie.

dad, ya que además se pueden integrar

las señales aisladas, lo que requiere un

pequeño trabajo adicional. Se puede

considerar que unos mayores tiempos

para la transferencia de señal suponen

un posible inconveniente, pero en la

central de Ingolstadt no han surgido

problemas por ello. Los resultados de la

optimización se devuelven como información

de retorno al sistema de control

mediante unas diez señales. Estos datos

se integran en el concepto de control

existente en forma de correcciones del

punto de consigna para el control del

combustible y del bypass de HP.

Según las circunstancias que se presenten,

esta integración puede afectar a

distintos niveles del sistema. En la central

de Zolling, solamente se visualiza el

punto de consigna optimizado para el

suministro de combustible a la puesta

en marcha que aplican después manualmente

los operarios. En la unidad 4 de

la central de Staudinger, BoilerMax

realiza automáticamente el control del

combustible y del bypass de HP. Sin embargo,

actualmente hay que activar

BoilerMax antes de cada puesta en marcha.

En la central de Ingolstadt, Boiler-

Max se activa automáticamente. Cuanto

más automatizada es la integración de

BoilerMax, mayores son los posibles

ahorros obtenidos. Sólo se conseguirá

una mejora constante del coste-eficacia

mediante un uso repetido de la función

6 Pantalla de operación de BoilerMax empleada en la central de Zolling. Debido al gran

volumen de cálculos necesario, BoilerMax se ejecuta en un PC que se configura como

servidor de la aplicación.

En el primer caso, se puede instalar el

PC del BoilerMax de forma independiente

y conectarlo directamente al

puesto de control. La inspección y el

manejo se producen a través de las estaciones

normales de vigilancia y acción.

En las centrales donde las estaciones de

vigilancia y acción forman parte del sis-

Revista ABB 1/2008

61


Puesta en marcha de la caldera

Extracción y generación

7 Integración del PC del BoilerMax

(Sala de control del secundario, sala de control, interfaz DCS, sala de I&C, armario de control,

optimizador, controlador, entrada de señal, Profibus, salida de señal)

Diagnósticos a distancia

dem

Red del PC

PC del

BoilerMax

Red 800xA

Interfaz del DCS

SALA DEL

OPERARIO

SALA DEL

CONTROLADOR

se había instalado BoilerMax junto con

un nuevo sistema de control. En [3] se

pueden ver más detalles sobre el

algoritmo de control y optimización.

La instalación de la optimización en

línea empleando la ampliación del sistema

Dynamic Optimization permite la

transparencia de la solución de control

avanzado gracias a un alto nivel de

integración con el sistema Extended

Automation System 800xA [4].

Nodo 800xA

Aplicación BoilerMax

(modelo + optimizador + controlador)

Enlace con el DCS

(no del sistema 800xA)

Entrada de señal,

por ejemplo, 4-20 mA,

ProfiBus

Controlador

Salida de señal,

por ejemplo,

4-20 mA

Rüdiger Franke

Sistemas eléctricos de ABB

Mannheim, Alemania

ruediger.franke@de.abb.com

Bernd Weidmann

E.ON-Kraftwerke GmbH

Hanover, Alemania

de optimización. Sin embargo, un mayor

grado de automatización exige una mayor

exigencia a la solidez de la optimización

de la puesta en marcha, por

ejemplo, con vistas a una detección y a

un manejo automático de las perturbaciones.

Instalación lograda

Los ahorros que se consiguen a través

de una optimización en línea se encuentran

normalmente entre el 10 y el 20 %

de los costes normales de combustible y

de energía auxiliar para cada puesta en

marcha de la central. Las modificaciones

del modo de puesta en marcha dependen

de los requisitos concretos de cada

central.

En las centrales de Staudinger (unidad

4) e Ingolstadt (unidad 4) se consiguieron

los ahorros mediante una reducción

del consumo de combustible y un menor

caudal coordinado de vapor activo

durante la puesta en marcha de la

caldera. Tanto los tiempos de puesta

en marcha como los esfuerzos en los

componentes críticos de pared gruesa

permanecieron prácticamente iguales.

En el congreso VGB de 2004 sobre

“Tecnología eléctrica, de control y de

información en centrales eléctricas” se

presentó BoilerMax junto con los primeros

resultados prácticos de su aplicación

piloto en la central de Weiher III [1]. En

[2] se presentan los resultados conseguidos

en la central de Staudinger 4, donde

Referencias

[1] Krüger, K.; Prinz, S. Praxiserfahrung durch den

Einsatz eines modell-prädiktiven Mehrgrößenreglers

zur Anfahroptimierung des Dampferzeugers

im 707 MW Block Weiher III der SaarEnergie AG,

VGB Kongress Elektro-, Leit- und Informationstechnik

im Kraftwerk, Leipzig 2004.

[2] Weidmann, B.; Häupl, E.; Osterholt, F.; Begemann,

R. Austausch der leittechnischen Einrichtungen

im Kraftwerk Staudinger Block 4, VGB

Kongress Elektrotechnik, Leittechnik und Informationsverarbeitung

im Kraftwerk, Düsseldorf 2006.

[3] Franke, R.; Vogelbacher, L. Nonlinear model

predictive control for cost optimal startup of steam

power plants, at – Automatisierungstechnik 54

(12), 2006.

[4] Franke, R.; Babji, B.S.; Antoine, M.; Isaksson,

A. Model-based online applications in the ABB

Dynamic Optimization framework, to appear, 6th

International Modelica Conference, 2008.

62 Revista ABB 1/2008

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