ES2313488T3 - Procedimiento y bucle de regulacion para regular un proceso de combustion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para regular un proceso de combustión en una instalación (1), especialmente en una central térmica, en una planta incineradora de residuos o en una fábrica de cemento, en la que el material (G) es convertido suministrando aire (L) mediante el proceso de combustión con formación de al menos un cuerpo flameante (F), determinando la variable de estado (s(t)) que describe el estado del sistema en la instalación (1) utilizando al menos un dispositivo de observación (5) que registra en imágenes el cuerpo flameante (F) y otros sensores (7), siendo luego evaluadas en un ordenador (11), después de lo cual, de ser necesario, se seleccionarán acciones (a i ) adecuadas para comandar dispositivos de reglaje (9) para al menos el suministro de material (G) y/o aire (L), regulando durante una regulación de conducción sobre los valores nominales (So) de las variables de estado (s(t)) y/o sobre una estabilidad del proceso de combustión, caracterizado porque temporalmente se cambia de la regulación de conducción a una regulación de perturbaciones, según la cual, se seleccionan acciones (a i ) para aproximarse a estados del sistema en la instalación (1), en los cuales las variables de estado (s(t)) dentro de límites preindicados (Sl, Sh), divergen de manera selectiva del valor nominal óptimo (So).
Description
Procedimiento y bucle de regulación para regular
un proceso de combustión.
El invento trata de un procedimiento para
regular un proceso de combustión con las características del término
genérico de la reivindicación 1, así como de un bucle de regulación
con las características del término genérico de la reivindicación
8.
En un procedimiento conocido de este tipo se
regula, ya sea automáticamente sobre valores nominales de la
variable de estado, comparando los valores nominales con los valores
reales y de ser necesario realizando acciones, normalmente
intervenciones de reglaje, o sobre una estabilidad del proceso de
combustión, realizando acciones en un volumen reducido.
El objetivo del presente invento consiste en
optimizar el procedimiento de tipo mencionado anteriormente. Este
objetivo se consigue mediante un procedimiento con las
características de la reivindicación 1 y mediante un bucle de
regulación según la reivindicación 8. Otras configuraciones
favorables son parte de las subreivindicaciones.
Debido a que temporalmente se cambia de una
regulación de conducción a una regulación de perturbaciones según
la cual, se seleccionan acciones para aproximarse a estados del
sistema en la instalación, en los que las variables de estado
dentro de límites preindicados divergen del valor nominal óptimo, se
proporcionan informaciones adicionales que posibilitan una
regulación optimizada. De este modo, se puede evitar especialmente
que el estado del sistema se ancle en un mínimo local. Acciones de
este tipo no se realizarían ni en la regulación sobre valores
nominales, la cual pretende el valor nominal, ni, puesto que ésta
pretende mayores modificaciones del estado, en la regulación sobre
la estabilidad del proceso de combustión. Son posibles combinaciones
de ambos casos de regulación en el modo de compromisos.
El proporcionamiento de información se puede
realizar regularmente en una regulación de perturbaciones ordinaria
y en una extensa amplitud en lo posible. Adicionalmente (o si acaso,
alternativamente) se pueden probar de manera más intensiva,
determinados segmentos de estados en una regulación de
perturbaciones extraordinaria.
El invento se puede aplicar en diversas
instalaciones termodinámicas estacionarias, especialmente, centrales
térmicas, plantas incineradoras de residuos y fábricas de
cemento.
A continuación, se explica en profundidad el
invento en base a un ejemplo de fabricación representado en el
plano. Se muestran en la:
figura 1, una representación esquematizada del
trayecto temporal de una variable de estado s(t) hasta un
momento t_{0} y las predicciones para el posterior trayecto,
figura 2, una representación esquematizada de un
trayecto temporal real de una variable de estado s(t) en
comparación a la predicción determinada en el momento t_{0}.
figura 3, una representación esquematizada del
trayecto temporal de una variable de estado s(t) con una
acción a^{i} en el momento t_{0} y
figura 4, una representación esquematizada de la
instalación.
Una instalación 1, por ejemplo, una central
térmica a gas, petróleo o carbón, una planta incineradora de
residuos o una fábrica de cemento, comprende un horno 3, bajo el
cual se debe entender también una parrilla, al menos un dispositivo
de observación 5, el cual puede registrar gráficamente el interior
del horno 3 (o bien la parrilla), preferentemente otros sensores 7,
al menos un dispositivo de reglaje 9 y un ordenador 11, al que están
conectados otros sensores 7 y uno o más dispositivos de reglaje
9.
Al horno se suministra material de combustión u
otro material convertible, denominado abreviadamente como material
G, por ejemplo, carbón, petróleo, gas, residuos, cal o similares,
así como aire primario (o bien oxígeno) y aire secundario (o bien
oxígeno), denominado brevemente como aire L, dirigiendo esta carga a
través de los dispositivos de reglaje 9 controlables por el
ordenador 11. En el horno 3 se produce un proceso de combustión. El
cuerpo flameante F producido de este modo (así como en caso dado,
emisiones de las paredes del horno 3) es registrado continuamente
por los dispositivos de observación 5. Los dispositivos de
observación 5 comprenden respectivamente junto a un acceso óptico
que atraviesa la pared del horno 3, por ejemplo, una lanza o un
dispositivo presentado en la patente EP 1 621 813 A1, además, una
cámara o similar, que trabaja en la zona óptica o en zonas
adyacentes de ondas electromagnéticas. Preferente, se trata de una
cámara de alta definición, temporal, local y espectral, como por
ejemplo, la que está descrita en la patente WO 02/070953 A1.
Las imágenes del cuerpo flameante F (y de las
posibles emisiones de las paredes del horno 3) son evaluadas en el
ordenador 11, por ejemplo, según un procedimiento de valor propio
descrito en la patente WO 2004/018940 A1. En la patente EP 1 524
470 A1 se describe un procedimiento de cómo se pueden obtener pocos
valores característicos de un espectro. Los datos obtenidos de las
imágenes del cuerpo flameante F, así como los datos de otros
sensores 7, los cuales miden por ejemplo, el suministro del
material G y el aire L, concentraciones de materiales dañinos en
los gases de emisión, o la concentración de la cal libre (FCAO), son
tratados como variables de estado (s(t)), que describen
(dependiendo del tiempo) el estado del sistema en la instalación 1
en general y especialmente el proceso de combustión y que se deben
considerar como vector.
A través del horno 3 como tramo (de regulación),
del o de los dispositivos de observación 5 y de otros sensores 7,
del ordenador 11 y de los dispositivos de reglaje 9, se define un
bucle de regulación. Se puede prever también un bucle de regulación
convencional, sólo con horno 3, sensores 7, ordenador 11 y
dispositivos de reglaje 9, sin el o los dispositivos de observación
5, cuya regulación considera únicamente pocas variables de estado
s_{t} (es decir, de baja dimensión), siendo luego optimizado a
través de la incorporación del o de los dispositivos de observación
5. El sistema en la instalación 1 es regulable por ejemplo, sobre
determinados valores nominales o sobre un proceso estable (es
decir, un funcionamiento tranquilo casi estacionario de la
instalación 1). En ambos casos se evalúa el estado descrito a través
de los valores reales de las variables de estado s(t) y de
ser necesario, se seleccionan acciones de reglaje adecuadas
(intervenciones de reglaje), denominadas brevemente como acciones
a^{i}, las cuales deben ser ejecutadas por los dispositivos de
reglaje 9. Junto al suministro del material G y del aire L, otras
actividades de dispositivos de reglaje 9 y caso dado, un muestreo,
pueden ser también una acción a^{i}, en el sentido del invento.
Las perturbaciones también pueden ser tratadas como acciones
a^{i}. Son imaginables combinaciones regulables de ambos casos de
regulación mencionados anteriormente, que posteriormente
representan compromisos.
La valoración del estado y la selección de las
acciones a^{i} adecuadas se puede realizar por ejemplo, según un
procedimiento como se describe en la patente WO 02/077527 A1. En el
ordenador 11 está implementada al menos una red neuronal, la cual
como un modelo de proceso almacena en acciones a^{i}, las
reacciones de los estados del sistema, es decir, las vinculaciones
(no lineales) entre los valores de las variables de estado
s(t) en un momento t= t_{0} y luego las acciones a^{i}
accionadas por un lado, los valores resultantes de las variables de
estado s(t) en un momento posterior t= t_{1} (ó t_{1},
t_{2}, t_{3} ...)(es decir, en torno a un intervalo posterior
determinado) por otro lado, concretamente en varios momentos en el
pasado. En este sentido se pueden incluir también perturbaciones
como acciones a^{i} (involuntarias) en el modelo de proceso. Una
evaluación de situación, es decir la evaluación de situación
independiente de las vinculaciones almacenadas que está concebida
en forma de un producto simplificado, evalúa para un momento
determinado t, los valores de las variables de estado s(t)
en vistas a metas de optimización r^{j} preindicadas, es decir,
cuan próximo está el estado del sistema en el momento t, respecto al
estado óptimo. Con una evaluación de un estado predecido con el
modelo de proceso, dependiendo de una determinada acción a^{i},
para un momento futuro, se puede determinar la idoneidad de una
acción a^{i} determinada para la aproximación a la meta de
optimización r^{j}.
En el ordenador 11 están almacenados
preferentemente tres (o cuatro) modelos de proceso (en una red
neuronal propia respectivamente), de los cuales cada uno
respectivamente comprende una vinculación estudiada sobre un
intervalo de tiempo corto (t_{1}-t_{0}), un (o
dos) mediano (t_{2}-t_{0}) y un largo
(t_{3}-t_{0}). Correspondientemente son
posibles predicciones a corto, mediano y largo plazo. Los intervalos
de tiempo indicados fluctúan según la instalación 1, entre
aproximadamente algunos segundos y algunas horas. Las variables de
estado s(t) pueden y deben variar por lo general, dentro de
determinados límites, es decir, dentro de un intervalo, por
ejemplo, entre un valor límite inferior S_{l} y un valor límite
superior S_{h}, en torno a un valor nominal óptimo S_{o}. Los
valores S_{l}, S_{h} y S_{o} pueden depender del tiempo. Las
predicciones a corto, mediano y largo plazo sirven para estimar la
diferencia de s(t) hacia el valor nominal óptimo S_{o} (la
meta de optimización r^{j} sería en cuestión por ejemplo, que sea
s(t) - S_{o} = 0 o al menos mínimo) y evaluar la
conservación de estos límites (valores límite S_{l}, S_{h}) y
reconocer la exigencia previsible de acciones a^{i}. El
desarrollo temporal de una variable de estado s(t) hasta el
momento t=t_{0}, así como la predicción a corto plazo t=t_{1},
la predicción a mediano plazo t=t_{2} y la predicción a largo
plazo t=t_{3} están representadas simplificadamente en la figura
1. En la figura 2 está representado el desarrollo real de
s(t) en comparación a las predicciones, considerando que en
vistas de una mejor comparabilidad no se ha efectuado ninguna acción
a^{i}.
Para la optimización de la precisión se
complementan continuamente no sólo los modelos de proceso a través
de los desarrollos reales de las variables de estado s(t)
como reacción frente a acciones a^{i}, sino que se produce una
competencia de varios modelos de proceso en cuanto a la calidad de
las predicciones. En este caso, en el fondo se presentan y
practican modelos de proceso alternativos, por ejemplo, con otras
topologías, cuyas predicciones son comparadas con los modelos de
proceso actualmente aplicados para reemplazar estos los últimos si
fuera necesario, como se describe por ejemplo, en la patente EP 1
396 770 A1.
Según el invento es posible un cambio de la
regulación normal, la así denominada regulación de conducción,
hacia una regulación de perturbaciones y (viceversa) para -sin
consideración a las metas de optimización r^{j}- que se asuman
diversas acciones a^{i} para aproximarse selectivamente, primero a
estados adyacentes (es decir, frente al estado actual
respectivamente con relación a las variables de estado s(t),
en diferentes direcciones y preferentemente, mediante alineaciones
sucesivas una junto a otra de la aproximación, llegara también a
estados alejados. A fin de no impedir el funcionamiento de la
instalación 1 o incluso de estropearla, se seleccionan como meta,
únicamente estados dentro de los límites (valores límite S_{l},
S_{h}) de las variables de estado s(t), es decir, sólo
acciones sobre las que las variables de estado s(t)
permanecen previsiblemente dentro de sus límites.
El ordenador 11 inicia regularmente una
regulación de perturbaciones "ordinaria", por ejemplo, cada
siete días, a más tardar sin embargo, cada cuatro semanas,
aproximándose en lo posible, preferentemente a muchos estados
distribuidos regularmente, de preferencia dentro de los límites. Si
durante la regulación se presenta con frecuencia la misma
problemática, el ordenador inicia una regulación de perturbaciones
"extraordinaria". Una problemática de este tipo se presenta
por ejemplo, si las variables de estado s(t) tienden
frecuentemente hacia un límite (valores límite S_{l}, S_{h}),
es decir, el valor medio se desvía y/o son necesarias frecuentemente
acciones a^{i} para compensar desviaciones y/u otras
contradicciones de las regulaciones sobre valores nominales (metas
de optimización r^{j}) y sobre un proceso estable. En el caso de
la regulación de perturbaciones extraordinaria pueden ser
aproximados especialmente estados que están adaptados a la
problemática desencadenante, por ejemplo, pueden ser seleccionados
según la estrategia de solución, en dirección a la problemática o
exactamente contrapuestos.
En los dibujos se ha representado un caso a modo
de ejemplo, en el que s(t) se mueve permanentemente por
encima el valor nominal óptimo S_{o} (figura 2) y también en las
predicciones (fig. 1), especialmente de la predicción a largo plazo
por encima del periodo de tiempo t=_{3}-t_{0},
tiende hacia el valor superior S_{h}. En el marco de la
regulación de conducción se seleccionaría en t=t_{0}, ó t=t_{1},
una acción a^{i}, que s(t) acerque al valor nominal
S_{o}. Por el contrario, en la regulación de perturbaciones se
selecciona también una acción a^{i} que s(t) acerca al
valor límite inferior S_{l}. Esto se representa con una acción
a^{i} en el momento t=t_{0} en la figura 3.
- 1
- Instalación
- 3
- Horno
- 5
- Dispositivo de observación
- 7
- Sensor
- 9
- Dispositivo de reglaje
- 11
- Ordenador
- a^{i}
- Acción
- F
- Cuerpo flameante
- G
- Material
- L
- Aire
- r^{j}
- Meta de optimización
- s(t)
- Variable de estado
- S_{h}
- Valor límite superior
- S_{l}
- Valor límite inferior
- S_{o}
- Valor nominal óptimo
- t_{0}, t_{1}, t_{2}, t_{3}
- Momento
Claims (10)
1. Procedimiento para regular un proceso de
combustión en una instalación (1), especialmente en una central
térmica, en una planta incineradora de residuos o en una fábrica de
cemento, en la que el material (G) es convertido suministrando aire
(L) mediante el proceso de combustión con formación de al menos un
cuerpo flameante (F), determinando la variable de estado
(s(t)) que describe el estado del sistema en la instalación
(1) utilizando al menos un dispositivo de observación (5) que
registra en imágenes el cuerpo flameante (F) y otros sensores (7),
siendo luego evaluadas en un ordenador (11), después de lo cual, de
ser necesario, se seleccionarán acciones (a^{i}) adecuadas para
comandar dispositivos de reglaje (9) para al menos el suministro de
material (G) y/o aire (L), regulando durante una regulación de
conducción sobre los valores nominales (S_{o}) de las variables
de estado (s(t)) y/o sobre una estabilidad del proceso de
combustión, caracterizado porque temporalmente se cambia de
la regulación de conducción a una regulación de perturbaciones,
según la cual, se seleccionan acciones (a^{i}) para aproximarse a
estados del sistema en la instalación (1), en los cuales las
variables de estado (s(t)) dentro de límites preindicados
(S_{l}, S_{h}), divergen de manera selectiva del valor nominal
óptimo (S_{o}).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque durante la regulación de perturbaciones
para cada estado actual, respecto al estado variable (s(t))
son aproximados primeramente estados adyacentes.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se cambia
regularmente de la regulación de conducción a una regulación de
perturbaciones ordinaria y viceversa.
4. Procedimiento según a reivindicación 3,
caracterizado porque durante la regulación de perturbaciones
ordinaria dentro de los límites preindicados (S_{l}, S_{h}) son
aproximados en lo posible, estados distribuidos regularmente.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en caso de
presentarse frecuentemente la misma problemática en la regulación,
especialmente de una tendencia de las variables de estado
(s(t)) hacia un límite (S_{l}, S_{h}) y/o en caso de
necesidad frecuente de acciones (a^{i}) para compensar
desviaciones tendencialmente similares y/o al presentarse otras
discrepancias de las regulaciones sobre valores nominales (S_{o})
de las variables de estado (s(t)) y sobre el proceso de
combustión estable, se cambia de la regulación de conducción a una
regulación de perturbaciones extraordinaria.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque en caso de regulación extraordinaria de
perturbaciones son aproximados estados que están adaptados a la
problemática desencadenante.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para la
evaluación de las variables de estado (s(t)) y la selección
de acciones (a^{i}) se utilizan varios modelos de proceso para
conseguir predicciones a corto, mediano y largo plazo para las
variables de estado (s(t)).
8. Bucle de regulación para realizar un
procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en una
instalación (1), especialmente en una central térmica, en una planta
incineradora de residuos o en una fábrica de cemento, con un tramo
(3) para convertir el material (G) suministrando de aire (L)
mediante el proceso de combustión con formación de al menos un
cuerpo flameante (F), utilizando al menos un dispositivo de
observación (5) que registra en imágenes el cuerpo flameante (F) y
otros sensores (7) para determinar la variable de estado
(s(t)) que describe el estado del sistema en la instalación
(1) y un ordenador (11) para evaluar las variables de estado
(s(t)) y de ser necesario, seleccionar acciones (a^{i})
adecuadas y dispositivos de reglaje (9) controlables mediante las
acciones (a^{i}) para al menos el suministro de material (G) y/o
aire (L), regulando el ordenador (11) durante una regulación de
conducción sobre valores nominales (S_{o}) de las variables de
estado (S(t)) y/o sobre una estabilidad del proceso de
combustión, caracterizado porque el ordenador (11) cambia
temporalmente de la regulación de conducción a una regulación de
perturbaciones, seleccionando según estas acciones (a^{i}) para
aproximarse a estados del sistema en la instalación (1), en los
cuales las variables de estado (s(t)) dentro de límites
preindicados (S_{l}, S_{h}), divergen de manera selectiva del
valor nominal óptimo (S_{o}).
9. Bucle de regulación según la reivindicación
8, caracterizado porque en el ordenador (11) está
implementada al menos una red neuronal, la cual almacena
respectivamente un modelo de proceso para evaluar las variables de
estado (s(t)) y seleccionar las acciones (a^{i}).
10. Bucle de regulación según la reivindicación
9, caracterizado porque en el ordenador (11) se encuentran
varias redes neuronales con modelos de procesos para predicciones de
las variables de estado (s(t)) y/o con modelos de proceso a
corto-, mediano y largo plazo, que se encuentran en competencia
respecto a la calidad de las predicciones.
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