ES2321872T3 - Procedimiento para optimizar el funcionamiento de varios grupos compresores y dispositivo para ello. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el control de una instalación compresora (1) con al menos dos grupos compresores (i = 1,..., N) que pueden conectarse y/o desconectarse por separado y con un conjunto de dispositivos para modificar la potencia de trabajo de los grupos compresores (i = 1,..., N) y con un equipo de control (10), caracterizado porque cuando se prescriben nuevos valores de consigna o se modifica el estado actual de la ins-talación compresora (1), se calcula, mediante un cálculo de optimización, a partir de una configuración de conexión actual (Si,t - 1) de los grupos compresores (i = 1,..., N) y para lograr un consumo optimizado de energía total (EG) de la instalación compresora (1), una nueva configuración de conexión (Si,t ) y porque la nueva configuración de conexión (Si,t ) se ajusta automáticamente a través del equipo de control (10).
Description
Procedimiento para optimizar el funcionamiento
de varios grupos compresores y dispositivo para ello.
La invención se refiere a un procedimiento para
el control de una instalación de compresores con al menos dos
grupos compresores que pueden conectarse y/o desconectarse por
separado y con un conjunto de dispositivos para modificar la
potencia de trabajo de los grupos compresores.
Además, se refiere la invención a un equipo de
control para controlar una instalación de compresores con al menos
dos grupos compresores que pueden conectarse y/o desconectarse por
separado y con un conjunto de dispositivos para modificar la
potencia de trabajo de los grupos compresores.
Las instalaciones compresoras, por ejemplo
instalaciones compresoras de gas natural para el transporte de gas
y/o el almacenamiento de gas, son equipos esenciales en cuanto al
abastecimiento de energía nacional e internacional. Un sistema para
transporte de gas está compuesto por un conjunto de instalaciones
compresoras que pueden estar compuestas en cada caso por varios
grupos compresores. Los grupos compresores tienen aquí la tarea de
aportar a un medio a transportar energía mecánica suficiente para
compensar las pérdidas por rozamiento y asegurar las presiones y
flujos de servicio exigidos. Los grupos compresores presentan a
menudo accionamientos y rodetes muy diferentes, ya que los mismos
están diseñados por ejemplo para un funcionamiento con carga de
base o un funcionamiento con carga de punta. Un grupo compresor
incluye por ejemplo al menos un accionamiento y al menos un
compresor.
La automatización de las instalaciones tiene una
gran importancia, especialmente para lograr un funcionamiento
optimizado en cuanto a costes. La capacidad de la automatización de
la instalación de conducir el proceso y la instalación compresora
dentro de los imperativos de la producción, aporta ventajas
económicas decisivas.
A menudo son accionados los compresores de una
instalación compresora mediante turbinas, que cubren sus necesidades
de combustible directamente desde una pipeline (tubería de
suministro). Como alternativa, los compresores son accionados
mediante motores eléctricos. Una forma de funcionamiento optimizado
en costes significa que se minimiza el consumo de energía de las
turbinas o bien de los accionamientos eléctricos para una potencia
de compresión dada, una potencia de transporte, una capacidad de
transporte y/o un caudal dado.
La gama de funcionamiento útil de los
compresores viene limitada por repercusiones desventajosas de los
procesos internos del flujo. De ello resultan límites para el
funcionamiento, como por ejemplo una limitación de la temperatura,
sobrepasar la velocidad del sonido local (choque de compresión,
límite de aspiración), el desprendimiento circulante del flujo en
el rodete de álabes o el límite de succión.
La automatización de una instalación compresora
tiene primariamente la tarea de realizar los valores de consigna
prescritos por una central de dispatching o despacho de control
como, a elección, un caudal de paso a través de la estación o una
presión final en el lado de salida como valores reales. Al respecto
no deben sobrepasarse valores límite predeterminados para las
presiones de aspiración en el lado de entrada, las presiones finales
en el lado de salida y la temperatura final a la salida de la
instalación.
Por el documento WO 03/036096 A1 se conoce un
procedimiento para optimizar el funcionamiento de varios grupos
compresores de una instalación compresora de gas natural. En este
procedimiento, tras el arranque de un segundo o bien de otro grupo
compresor, se funciona con una velocidad de giro de los grupos
compresores ya en marcha que se encuentra en una relación fija de
velocidad de giro con respecto a los datos del campo característico
archivados para cada grupo compresor. Para realizar una primera
reducción del consumo de energía, se modifican tras arrancar un
compresor adicional las velocidades de giro de todos los grupos que
se encuentran ya en servicio mediante un ajuste en la misma
proporción de los caudales hasta que, si es posible, todas las
válvulas de prevención de succión de la instalación estén
cerradas. Sólo después de que todas las válvulas de prevención de
succión estén cerradas, se deslizan los puntos de trabajo de los
grupos compresores en sus campos característicos hasta tan próximo
como sea posible de una línea del máximo rendimiento.
Según el documento EP 0 769 624 B1 se conoce un
procedimiento para la compensación de cargas entre varios
compresores y para manipular la potencia de trabajo de los
compresores, para mantener una relación predeterminada entre todos
los compresores cuando los puntos de trabajo de todos los
compresores están más alejados del límite de succión de lo que
indica un valor específico.
Por el documento EP 0 576 238 D1, se conoce un
procedimiento y un dispositivo para la distribución de la carga.
Con un compresor designado como compresor-guía se
genera una señal de regulación que se utiliza como magnitud de
referencia para un compresor que no es guía.
Los procedimientos antes descritos no pueden
reducir aún el consumo de energía de toda la instalación compresora
de manera satisfactoria.
La invención tiene como tarea básica poner a
disposición un procedimiento y un dispositivo para seguir
optimizando el consumo de energía para un funcionamiento de varios
grupos compresores de una instalación compresora.
Esta tarea se resuelve en el marco de la
invención calculándose, cuando se prescriben nuevos valores de
consigna o se modifica el estado actual de la instalación
compresora, mediante un cálculo de optimización a partir de una
configuración de conexión actual de los grupos compresores en cuanto
a un consumo optimizado de energía total de la instalación
compresora, una nueva configuración de conexión y ajustándose la
nueva configuración de conexión automáticamente a través del equipo
de control.
Es ventajoso en la invención que la optimización
pueda basarse en todos los grupos compresores disponibles o listos
para el servicio en la correspondiente instalación compresora,
independientemente de su correspondiente estado de funcionamiento o
conexión. En particular permite la invención - contrariamente a los
controles conocidos para instalaciones compresoras - que el
resultado de la optimización sea una conexión automática de un grupo
compresor que antes encontraba fuera de servicio o la desconexión
completa de un grupo compresor.
Automáticamente significa aquí en particular
"online", es decir, automáticamente puede significar por
ejemplo que la configuración de conexión se utiliza sin
intervención manual del personal de servicio de la instalación
compresora, preferiblemente en tiempo real. Tiempo real significa
que el resultado de un cálculo está disponible con garantías dentro
de un determinado espacio de tiempo, es decir, antes de que se
alcance un determinado límite de tiempo. Al respecto puede correr
el cálculo de optimización en una instalación de procesamiento de
datos separada, que retransmite automáticamente sus datos de cálculo
al equipo de control.
La invención parte del concepto secuencial
conocido, es decir, tras el arranque de un grupo adicional,
prescrito desde el exterior, se cierran primeramente las válvulas
de prevención de succión y a continuación se optimizan los puntos
de trabajo de los grupos compresores en cuanto a su rendimiento. En
el marco de la invención se considera preferiblemente durante cada
cálculo de optimización la instalación compresora completa y se
calcula la configuración de conexión de la instalación compresora,
es decir, la prescripción de un estado de conexión de los distintos
grupos compresores. El cierre de las o de todas las válvulas de
prevención de succión puede asegurarse mediante un caudal mínimo a
través de los grupos compresores cuando se realiza la optimización.
También puede realizarse un primer arranque de la instalación
compresora ya con una configuración de conexión favorable en cuanto
a un consumo total de energía optimizado.
Bajo la configuración de conexión de una
instalación compresora, preferiblemente manipulable eléctricamente,
se entiende un conjunto de los correspondientes estados de conexión
de los distintos grupos compresores. La configuración de conexión
viene representada por los estados de conexión "0" para
desconectado y "1" para conectado, que por ejemplo está
archivada por bits en una variable de números enteros.
Bajo proceso de conexión se entiende el cambio
de un estado de conexión, en particular eléctrico, a otro.
Ventajosamente se calcula un pronóstico mediante
el cálculo de optimización para al menos un instante,
preferiblemente para varios instantes futuros. Puesto que el
procedimiento permite pronósticos hasta un instante determinado, es
posible utilizar conocimientos sobre una forma de funcionamiento
normal de la estación, es decir, por ejemplo una evolución de la
carga usual, para minimizar la frecuencia de maniobra de los grupos
compresores.
Es conveniente que se evalúen bloques de datos
específicos para cada grupo compresor y/o campos característicos
específicos para cada grupo compresor y que se determinen para los
distintos grupos compresores puntos de trabajo que dependen de
valores predeterminados o bien modificados del flujo másico y de un
trabajo de transporte específico, ajustándose los puntos de trabajo
tal que se optimiza el consumo total de energía de la instalación
compresora.
Ventajosamente se dan los bloques de datos y/o
campos característicos como función de un flujo másico y de un
trabajo de transporte específico de los distintos grupos
compresores.
Ventajosamente se calcula, y dado el caso se
modifica en el cálculo de optimización, adicionalmente a la
configuración de conexión, una distribución de carga, es decir, una
relación de velocidades de giro entre los grupos compresores.
Otra ventaja esencial reside en que pueden
tenerse en cuenta condiciones marginales en la optimización, como
por ejemplo no transgredir el límite de succión, ya en un cálculo
optimizado en cuanto a rendimiento de los valores de consigna para
la velocidad de giro relativos a las distintas estaciones
compresoras.
Es conveniente que el cálculo de optimización se
realice con un ciclo de regulación, en particular autoactivado.
Ventajosamente se ponen a disposición como
magnitudes de salida del cálculo de optimización con cada ciclo de
regulación valores de consigna de la velocidad de giro y/o la nueva
configuración de conexión para el equipo de control.
Es conveniente que mientras dura el ciclo de
regulación, que en particular es un múltiplo del tiempo que dura el
ciclo de una regulación del equipo de control, los valores de
consigna de la velocidad de giro y/o la configuración de conexión
se mantengan constantes.
En una configuración especial mejorada de la
invención se realiza una escalación de los valores de consigna de
la velocidad de giro con un factor común y se utilizan como valor de
consigna para un regulador de un grupo compresor.
Un aumento adicional de la efectividad del
funcionamiento de la instalación se logra activando el equipo de
control con la nueva configuración de conexión ya antes de terminar
el ciclo de regulación una fase de calentamiento de los grupos
compresores para conectar posteriormente un grupo compresor que
antes se encontraba fuera de servicio.
En una forma constructiva especial se comunica
al terminar la fase de calentamiento al equipo de control la
disponibilidad para la carga para el siguiente ciclo de regulación.
Cuando por ejemplo la velocidad de giro de un grupo compresor que
arranca es suficientemente alta y la fase de calentamiento de la
turbina ha terminado, se activa una señal "preparado para la
carga". Esto significa que el grupo compresor toma parte en el
proceso de la distribución de la carga y que se tendrá en cuenta en
el cálculo de optimización para la distribución de carga más
favorable entre los que se encuentran en servicio.
En otra forma constructiva preferente, se
evalúan como entradas para el cálculo de optimización
- -
- un modelo de los distintos grupos compresores y/o
- -
- una biblioteca de modelos de la instalación compresora completa y/o
- -
- un trabajo de transporte actual específico de los distintos grupos compresores y/o
- -
- un trabajo de transporte actual específico de la instalación compresora y/o
- -
- un flujo másico actual a través de cada grupo compresor, en particular a través de un compresor individual y/o
- -
- un flujo másico actual a través de la instalación compresora y/o
- -
- la configuración de conexión actual y/o
- -
- una presión de aspiración en el lado de entrada de la instalación compresora y/o
- -
- una presión de aspiración en el lado de entrada del grupo compresor individual y/o
- -
- una presión final en el lado de salida de la instalación compresora y/o
- -
- una presión final en el lado de salida del grupo compresor individual y/o
- -
- una temperatura en el lado de salida de la instalación compresora y/o
- -
- una temperatura en el lado de entrada de la instalación compresora y/o
- -
- una temperatura en el lado de salida de los grupos compresores individuales y/o
- -
- una temperatura en el lado de entrada de los grupos compresores individuales y/o
- -
- las velocidades de giro actuales de los grupos compresores individuales.
\vskip1.000000\baselineskip
De manera conveniente, minimiza el cálculo de
optimización según el principio de la regulación predictiva del
modelo mediante cálculos de pronósticos el consumo de energía total
esperado hasta un instante posterior.
En otra forma constructiva preferente, se tiene
en cuenta en el cálculo de optimización el consumo de energía de un
proceso de conexión.
De manera conveniente, se calcula el consumo de
energía del proceso de conexión a partir de los bloques de datos
y/o de los campos característicos de los grupos compresores. El
conocimiento de la proporción del consumo de energía para el
proceso de conexión permite una determinación más exacta aún del
consumo total de energía mínimo de la instalación compresora.
Una variante ventajosa de la invención es que el
trabajo del transporte específico de la instalación compresora para
el ciclo de regulación se suponga constante, en particular cuando
están conectados los grupos compresores en paralelo.
Una variante alternativa ventajosa de la
invención es que el flujo másico de la instalación compresora para
el ciclo de regulación se suponga constante, en particular cuando
los grupos compresores están conectados en serie.
De manera conveniente funciona un grupo
compresor activo al menos con un caudal que puede predeterminarse o
un caudal mínimo que puede predeterminarse.
\newpage
Ventajosamente se realiza el cálculo de
optimización mediante un algoritmo
Branch-and-Bound (de ramificación y
acotación).
En otra forma ventajosa, se determina un límite
para el algoritmo Branch-and-Bound
mediante la resolución de un problema simplificado por medio de un
Sequential-Quadratic-Programming
(progamación cuadrática secuencial).
Se logra un aumento adicional de la eficiencia
del procedimiento de cálculo solucionando problemas parciales el
cálculo de optimización mediante una programación dinámica, en
particular cuando se trata de una conexión en serie.
La tarea referida del dispositivo se resuelve
con referencia al equipo de control citado el principio mediante un
modelo de optimización con el que, prescribiendo nuevos valores de
consigna o modificando el estado actual de la instalación
compresora mediante un cálculo de optimización a partir de una
configuración de conexión actual de los grupos compresores en
cuanto a un consumo de energía total optimizado de la instalación
compresora, puede calcularse una nueva configuración de conexión y
mediante un módulo de ajuste mediante el que puede ajustarse
automáticamente la nueva configuración de conexión.
El módulo de optimización para optimizar el
consumo de energía está orientado especialmente para, en combinación
con el equipo de control y/o la central del dispatching, distribuir
la carga total determinada previamente entre los distintos grupos
compresores tal que los valores prescritos para la estación se
realicen bajo un consumo de energía lo menor posible, es decir, con
el máximo grado de rendimiento total. Esto incluye por ejemplo
tanto la decisión de qué grupos compresores se conectarán a activo y
cuáles a inactivo, como también la prescripción de cuál ha de ser
la contribución de cada grupo activo a la potencia total, es decir,
la prescripción de la distribución de la carga.
En una forma constructiva especial de la
invención, está dispuesto el módulo de optimización espacialmente
alejado, en particular varios kilómetros, del equipo de control.
Según una configuración conveniente, está
orientado el módulo de optimización a tener en cuenta el consumo de
energía de un proceso de conexión.
Otra configuración mejorada consiste en que el
módulo de optimización esté orientado al cálculo de optimización
para un conjunto de equipos de control de varias instalaciones
compresoras.
También pertenece a la invención un producto de
programa de ordenador que contiene un software para realizar un
procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 21. Con un
código de programa legible por máquina sobre un soporte de datos,
pueden orientarse ventajosamente instalaciones de procesamiento de
datos a un módulo de optimización.
A continuación se describirá más en detalle la
invención según un ejemplo de ejecución, mostrándose en
figura 1 un esquema de bloque de circuitos de un
procedimiento para optimizar el funcionamiento de una instalación
compresora,
figura 2 un campo característico específico del
compresor de un grupo compresor,
figura 3 un equipo de control para controlar una
instalación compresora y en
figura 4 un diagrama secuencial de las etapas
del procedimiento.
El comportamiento de un único grupo compresor 3,
4, 5 se modela mediante un campo característico 20, describiendo el
campo característico 20 su rendimiento y su velocidad de giro como
función de su punto de trabajo 22. El punto de trabajo 22 se
describe mediante una variable de estado \dot{m} que describe un
flujo másico a través del grupo compresor, y un trabajo de
transporte específico que puede determinarse mediante la ecuación
1
siendo
- R
- una constante especifica del gas,
- k
- un exponente isentrópico,
- Z
- un factor del gas real,
- C_{E}, C_{A}
- una velocidad a la entrada o bien a la salida del grupo compresor,
- z_{A}, z_{E}
- una diferencia de alturas,
- P_{E}
- una presión de aspiración,
- P_{A}
- una presión final y
- T_{E}
- una temperatura de entrada.
\vskip1.000000\baselineskip
Los campos característicos 20 no se ponen a
disposición mediante una fórmula cerrada. A partir de una medición
se calcula una curva característica de transporte 21 y una curva
característica de rendimiento 23. Para una velocidad de giro
constante se determina la relación entre el trabajo de transporte y
un rendimiento \eta_{i} del flujo volumétrico
(\dot{V}_{i}) o del flujo másico \dot{m} en puntos de
apoyo.
Para modelizar el comportamiento de un grupo
compresor 3, 4, 5, deben tomarse adicionalmente los límites de
funcionamiento, como por ejemplo un límite de succión 36, que vienen
determinados por la presencia de determinados fenómenos de flujo en
el compresor, en función de la velocidad de giro. A partir de estos
puntos de apoyo y de los correspondientes valores para distintas
velocidades de giro, pueden establecerse mediante principios
adecuados, como por ejemplo interpolación polinómica elemento a
elemento o bien splines B, los campos característicos 20 como
función del flujo másico \dot{m}_{i} y del trabajo de
transporte específico y_{i} y su campo de definición.
Cuando los grupos compresores 3, 4, 5 están
conectados en serie, se distribuye todo el trabajo de transporte
entre los distintos grupos compresores 3, 4, 5 de manera óptima en
cuanto a energía, suponiéndose que el flujo másico a través de los
compresores es el mismo. Para una formulación de un problema de
minimización, en particular cuando se trata de una conexión serie,
rige la ecuación 2:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Para utilizar una programación matemática, se
considera la ecuación 3 como condición secundaria de la
ecuación:
- -
- la conexión serie da como resultado que la suma de los trabajos específicos de transporte de los compresores ha de ser igual en todo momento al trabajo de transporte de la estación:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Cuando están conectados en paralelo los
compresores, ha de distribuirse el flujo total entre los distintos
grupos compresores 3, 4, 5, tomándose como determinado ya
previamente el trabajo del transporte específico de la instalación
compresora para un ciclo de optimización R. Para una formulación de
un problema de minimización, en particular cuando se trata de una
conexión en serie, rige la ecuación 4:
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
Para utilizar una programación matemática, se
considera la ecuación 5 como condición secundaria de la
ecuación:
- -
- en el caso de la conexión paralelo, ha de ser igual la suma de los flujos individuales en cada instante al flujo total exigido:
Puesto que ha de minimizarse el consumo total de
energía, resulta el problema de minimización como suma del consumo
de todos los grupos compresores 3, 4, 5.
Otro término adicional está combinado
adicionalmente con el problema de minimización, que representa una
función objetivo. Los costes de la conexión, es decir, el consumo
energético de un proceso de conexión, se tiene en cuenta de esta
manera. Para una presión de aspiración dada P_{S}, una
presión final P_{E}, una temperatura T y el flujo
másico, \dot{m} puede calcularse la parte proporcional del consumo
de energía para un proceso de conexión de un grupo compresor 3, 4,
5 a partir de los campos característicos.
Cuando se optimiza la función objetivo, han de
observarse las siguientes condiciones secundarias de
desigualdad:
- -
- Un grupo compresor activo debe mantener un caudal mínimo, para no infringir el límite de succión, en particular flujo másico mínimo \dot{m}_{i,t}^{min}. Este caudal mínimo depende del trabajo de transporte instantáneo de la instalación compresora. Igualmente debe permanecer el flujo másico por debajo de un valor máximo admisible \dot{m}^{max}_{i,t}.
- -
- De manera totalmente análoga al flujo másico, rigen en el caso de compresores conectados en serie límites superiores e inferiores para el trabajo de transporte específico y^{min}_{i,t} e y^{max}_{i,t}.
\vskip1.000000\baselineskip
El tratamiento de instalaciones compresoras con
grupos conectados en paralelo y en serie, se realiza unificadamente
y no exige fórmulas totalmente diferentes del problema de
minimización. Una solución resulta directamente a partir de la
formulación matemática como problema de optimización.
La figura 1 muestra un esquema de bloques de
circuitos de un procedimiento para optimizar el funcionamiento de
una instalación compresora. La instalación compresora está
representada con tres grupos compresores 3, 4 y 5 muy
esquematizados. Respecto a la conexión de los grupos compresores 3,
4 y 5, se supone que la conexión es en paralelo. Los grupos
compresores 3, 4 y 5 son controlados y regulados mediante un equipo
de control 10. El equipo de control 10 incluye una regulación del
equipo de control 12, un primer regulador del grupo compresor 13,
un segundo regulador del grupo compresor 14 y un tercer regulador
del grupo compresor 15. Un módulo de optimización 11 se encuentra
unido bidireccionalmente con el equipo de control 10. Mediante el
módulo de optimización 11 se resuelve un problema de optimización
no lineal mixto de números enteros. Una formulación matemática del
problema de optimización está implementada en el módulo de
optimización 11. Utilizando la ecuación 4 con una cantidad N
= 3 de los grupos compresores 3, 4 y 5 y una serie de
magnitudes de entrada 33, pone el módulo de optimización 11 para
lograr un consumo de energía total optimizado, magnitudes de salida
32 optimizadas a disposición de la regulación del equipo de control
12. Las magnitudes de entrada 33 se componen a partir de una
biblioteca de modelos 26, con un modelo 24a, 24b, 24c para cada
grupo compresor 3, 4, 5 y magnitudes del proceso de la instalación
compresora.
Mediante valores reales 30 y valores de consigna
31, se alimenta la regulación del equipo de control 12 con
- -
- una temperatura actual T_{g,A} en el lado de salida de la instalación compresora,
- -
- una temperatura actual T_{g,E} en el lado de entrada de la instalación compresora,
- -
- una presión final actual P_{g,A} en el lado de salida de la instalación compresora,
- -
- una presión de aspiración actual P_{g,E} en el lado de entrada de la instalación compresora,
- -
- un flujo volumétrico actual V_{i} para I = 1 ... 3 con en cada caso una temperatura actual para la entrada T_{i,E} y la salida de un grupo compresor T_{i,A},
- -
- una presión actual P_{i,E} y P_{i,A}
de los distintos grupos compresores
3, 4 y 5 como valores reales
30.
\vskip1.000000\baselineskip
Los valores de consigna o bien valores límite 31
para la regulación del equipo de control 12 están compuestos por
una temperatura máxima T_{g,A,max} una presión
P_{g,A,(soll)} (valor de consigna) y un caudal
\dot{V}_{g(soll)} (valor de consigna) en el lado de
salida de la instalación compresora, así como una presión de
aspiración máxima P_{g,E(max)} o bien
P_{g,A,max} en el lado de entrada y en el lado de salida
respectivamente de la instalación compresora.
Con los valores reales 30 como magnitudes de
proceso y la ecuación básica Gl.1, se completan las magnitudes de
entrada 33 para el módulo de optimización 11.
En el módulo de optimización 11 se calcula ahora
un consumo total de energía mínimo. Para los grupos compresores 3,
4 y 5 dispuestos en paralelo, se resuelve el problema de la
minimización mediante un algoritmo
Branch-and-Bound (L.A. Wolsey
"Integer Programming" (programación con números enteros), John
Wiley & Sons, Nueva York, 1998), que maneja variables discretas
en un árbol binario. Para no tener que evaluar todas las
derivaciones del árbol de búsqueda binario, se determina un límite
inferior G para el mínimo mediante la solución de un problema
simplificado por medio de la programación cuadrática secuencial
(P.E. Gill, W. Murray, M.H. Wright, "Optimización práctica",
Academic Press, Londres, 1995).
En el módulo de optimización 11 se implementan
además clases de problemas especiales y formulaciones de problemas
adaptadas, así como algoritmos eficientes, tal como pueden
encontrarse en la siguiente literatura
T. Jenicek, J. Kralik, "Control
optimizado de estaciones compresoras generalizadas";
S. Wright, M. Somani, C.
Ditzel, "Optimización de estaciones compresoras", Grupo
de Interés de Simulación de Tuberías de Suministro, Denver,
Colorado, 1998;
K. Erhardt, M.C. Steinbach ,
"Optimización no lineal en redes de gas",
ZIB-Report 03-46, Berlín,
2003 y
R.G. Carter, "Optimización de
estaciones compresoras: Precisión y velocidad computacional",
1996.
\vskip1.000000\baselineskip
Partiendo de una forma de marcha continua de la
instalación compresora, se mantienen puntos de trabajo 22 en campos
característicos 20 (ver figura 2) de los grupos compresores 3, 4 y 5
en su zona óptima.
Cuando varía el caudal
\dot{V}_{g(soll)} de la instalación compresora, se
calcula mediante un cálculo de optimización en el módulo de
optimización 11 a partir de una configuración de conexión actual
S_{i,t-1} de los grupos compresores 3, 4 y
5, en cuanto a un consumo total de energía optimizado de la
instalación compresora, una nueva configuración de conexión
S_{i,t}.
Una reducción del caudal
\dot{V}_{g(soll)} de la instalación compresora a la mitad
tiene como consecuencia un resultado del cálculo de optimización
que prescribe la siguiente nueva configuración de conexión: El grupo
compresor 5 reduce su marcha mediante la prescripción de
S_{5,t} = 0. Puesto que el caudal exigido por la
instalación compresora puede alcanzarse sin más con dos de los tres
grupos compresores, se conecta el grupo compresor 5 a inactivo.
Todos los grupos compresores 3 y 4 que se encuentran en servicio son
mantenidos en marcha continuamente ahora hasta que una modificación
del caudal o una desviación de los valores de consigna dé como
resultado un nuevo cálculo de optimización con una configuración de
conexión modificada. Mantenido en marcha continuamente significa
que los grupos compresores que se encuentran en servicio funcionan
con una distribución de carga optimizada y con un ajuste optimizado
de sus puntos de trabajo 22 en los campos característicos 20. Las
magnitudes de salida 32 del módulo de optimización 11 contienen
así, además de los estados de conexión a ajustar en ese instante
para los grupos compresores, también una prescripción de valor de
consigna de la velocidad de giro \lambda_{i} para los distintos
grupos compresores 3, 4 y 5.
Mediante la regulación de la estación, que está
subordinada, y que corre con un ciclo más rápido que la
optimización, son escalados los valores de consigna de la velocidad
de giro \lambda_{i}, antes de transmitirse los mismos a los
reguladores de los grupos compresores, con un factor común \alpha,
para regular hasta los valores de consigna. El cálculo de
optimización se realiza autoactivado con un ciclo de regulación R en
el módulo de optimización 11. En el cálculo de optimización se
realizan por lo tanto cíclicamente, además del cálculo de una
eventual configuración de conexión
S_{i,t-1}, la distribución de la carga
entre los grupos compresores, es decir, los valores de consigna de
la velocidad de giro \lambda_{i} óptimos para el rendimiento de
los distintos grupos compresores 3, 4 y 5. Mientras dura el ciclo de
regulación R, se mantienen constantes los valores de consigna de la
velocidad de giro \lambda_{i} y la configuración de conexión
S_{i,t}. Si ahora se duplica el caudal
\dot{V}_{g(soll)} de la instalación completa debido a
variaciones de la carga, entonces el cálculo de optimización con el
siguiente ciclo de regulación R prescribirá una nueva configuración
de conexión S_{i,t}, una nueva distribución de la carga y
una nueva posición de los puntos de trabajo 22 óptimos en cuanto a
rendi-
miento.
miento.
La nueva configuración de conexión significa
ahora que funcionen tres de los tres grupos compresores. Puesto que
el resultado del cálculo de optimización se conoce todavía antes de
terminar el ciclo de regulación, se inicia para el tercer grupo
compresor 5 a arrancar una fase de calentamiento. Al finalizar el
ciclo de regulación R, se ponen a disposición los nuevos valores
para el equipo de control 10 y en particular para los reguladores
de los grupos compresores 13, 14, 15. El grupo compresor 5,
preparado previamente con una fase de calentamiento, puede ahora
conectarse sin discontinuidad para el nuevo ciclo de regulación R y
resulta de nuevo un consumo total de energía óptimo para la
potencia de transporte exigida o el caudal
\dot{V}_{g(soll)} exigido.
La figura 2 muestra un campo característico 20
específico del compresor para un grupo compresor 3. El campo
característico del compresor 20 muestra las curvas características
de transporte 21 que dependen de la velocidad de giro y las curvas
características de rendimiento 23 del compresor en función del
caudal \dot{V}_{3.E} registrado sobre el eje x a la entrada del
compresor y del trabajo de transporte específico y_{3} del
compresor (\dot{V}=\dot{m}/\delta, \delta = densidad)
registrado sobre el eje y.
Adicionalmente se registra un límite de succión
36. Los puntos de trabajo 22 óptimos en cuanto a rendimiento se
encuentran próximos al límite de succión 36 sobre una curva
característica de rendimiento 23 con un elevado rendimiento
\eta_{3.max}. Para el procedimiento descrito en la figura 1 se
indican los campos característicos 20 como función matemática de un
flujo másico (o de un caudal) y de un trabajo de transporte
específico de los distintos grupos compresores. La formulación
matemática de los campos característicos 20 como función de cálculo
es parte integrante del módulo de optimización 11 o bien del
cálculo de optimización.
La figura 3 muestra un equipo de control 10 para
el control de una instalación compresora 1. Los valores de consigna
de la velocidad de giro óptimos \lambda_{i} calculados mediante
el módulo de optimización 11 y la nueva configuración de conexión
S_{i,t}, que interactúa con el equipo de control 10, son
ajustados y/o regulados mediante un módulo de ajuste S en los
grupos compresores 3, 4 y 5.
Como magnitud de regulación para una regulación
del equipo de control 10, se utiliza en particular aquella magnitud
de entre el caudal, la presión de aspiración, la presión final y la
temperatura final que presenta la mínima desviación de regulación
positiva. La regulación del equipo de control 10 aporta como salida,
juntamente con el módulo de optimización, los valores de consigna
para los distintos reguladores de los grupos compresores 13, 14, 15
(ver figura 2).
La figura 4 muestra un diagrama secuencial de
las etapas de proceso 40, 42, 44 y 46. Partiendo de una primera
etapa del proceso 40, se activa cíclicamente el procedimiento de
optimización. Con una segunda etapa de proceso 42 se averigua el
estado actual de la estación compresora 1. Para ello se captan los
siguientes valores: valores reales 30, valores de consigna 31,
valores límite y condiciones marginales 37 y modelos 24a, 24b y 24c
de la biblioteca de modelos 26. Adicionalmente, se averigua en el
marco de la invención el estado actual de conexión
S_{i,t-1} de la instalación compresora 1.
Una tercera etapa de proceso 44 representa un punto de decisión.
Con la tercera etapa de proceso 44 se toma la decisión de realizar
un cálculo de optimización 46 en una cuarta etapa de proceso o de
finalizar el proceso 48. En base a los valores reales 30 y valores
de consigna 31 existentes, puede decidirse si es necesario un
cálculo de optimización. Para el caso de que la tercera etapa de
proceso sea una decisión positiva Y, prosigue el proceso con la
cuarta etapa de proceso 46. En la cuarta etapa de proceso 46 se
resuelve el problema de optimización mixta de números enteros. Las
magnitudes de entrada para la cuarta etapa del proceso 46 son a su
vez valores reales 30, valores de consigna 31, valores limite y
condiciones marginales 37 y los modelos de una biblioteca de
modelos 26. Como resultado de la cuarta etapa del proceso 46, se
emiten valores de consigna de la velocidad de giro \lambda_{i} y
nuevos estados de conexión S_{i,t}. El procedimiento ha
terminado 48. Con la activación cíclica a partir de la primera etapa
del proceso 40, corre de nuevo el proceso.
Claims (26)
1. Procedimiento para el control de una
instalación compresora (1) con al menos dos grupos compresores (i
= 1,..., N) que pueden conectarse y/o desconectarse por
separado y con un conjunto de dispositivos para modificar la
potencia de trabajo de los grupos compresores (i = 1,..., N)
y con un equipo de control (10),
caracterizado porque cuando se prescriben
nuevos valores de consigna o se modifica el estado actual de la
instalación compresora (1), se calcula, mediante un cálculo de
optimización, a partir de una configuración de conexión actual
(S_{i,t-1}) de los grupos compresores (i
= 1,..., N) y para lograr un consumo optimizado de energía
total (EG) de la instalación compresora (1), una nueva configuración
de conexión (S_{i,t}) y porque la nueva configuración de
conexión (S_{i,t}) se ajusta automáticamente a través del
equipo de control (10).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se averigua un
pronóstico mediante el cálculo de optimización para al menos un, y
preferentemente varios instante(s) futuro(s).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó
2,
caracterizado porque se evalúan bloques
de datos específicos de cada grupo compresor y/o campos
característicos (20) específicos de cada grupo compresor y se
determinan para los distintos grupos compresores (i = 1,...,
N) puntos de trabajo (22) que dependen de valores
predeterminados o bien modificados del flujo másico \dot{m} y de
un trabajo de transporte específico (y), ajustándose los puntos de
trabajo (22) tal que se optimiza el consumo total de energía
(E_{G}) de la instalación compresora (1).
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque los bloques de datos
y/o campos característicos (20) resultan como función de un flujo
másico(\dot{m}_{i}) o de un correspondiente caudal
(\dot{V}_{i}) y de un trabajo de transporte específico
(\lambda_{i}) de los distintos grupos compresores (i = 1,
..., N).
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque en el cálculo de
optimización se calcula además de la configuración de conexión
(S_{i,t}) una distribución de la carga entre los grupos
compresores (i = 1, ..., N) y dado el caso se modifica.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque el cálculo de
optimización se realiza con un ciclo de regulación (R), en
particular autoactivado.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
en el que como magnitudes de salida (32) del
cálculo de optimización se ponen a disposición con cada ciclo de
regulación (R) valores de consigna de la velocidad de giro
(\lambda_{i}) y/o la nueva configuración de conexión
(S_{i,t}) para el equipo de control.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque mientras dura el
ciclo de regulación (R), que en particular es un múltiplo de la
duración de un ciclo (Z) de una regulación (12) del equipo de
control (10), se mantienen constantes los valores de consigna de la
velocidad de giro (\lambda_{i}) y/o la configuración de conexión
(S_{i,t}).
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 7 u 8,
en el que los valores de consigna de la
velocidad de giro (\lambda_{i}) se escalan con un factor común
(\alpha) y se utilizan como valores de consigna para un regulador
de un grupo compresor (13, 14, 15).
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9,
en el que el equipo de control (10) con la nueva
configuración de conexión (S_{i,t} = 1) activa ya antes de
finalizar el ciclo de regulación (R) una fase de calentamiento de
los grupos compresores (i = 1, ..., N) para la posterior
conexión de un grupo compresor (S_{i,t-1} =
0) que previamente se encontraba fuera de servicio.
11. Procedimiento según la reivindicación
10,
\newpage
caracterizado porque al terminar la fase
de calentamiento se comunica al equipo de control (10) la
disponibilidad para la carga para el siguiente ciclo de regulación
(R).
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 11,
en el que como entrada (23) para el cálculo de
optimización se evalúa
- -
- un modelo (24) de los distintos grupos compresores (i = 1, ...,N) y/o
- -
- una biblioteca de modelos (26) de la instalación compresora completa (1) y/o
- -
- un trabajo de transporte actual específico (y_{i,t-1}) de los distintos grupos compresores (i = 1, ...,N) y/o
- -
- un trabajo de transporte actual (y_{g,t-1}) específico de la instalación compresora (1) y/o
- -
- un flujo másico actual (\dot{m}_{i,t-1}) a través de cada grupo compresor individual (i = 1, ...,N), en particular a través de un compresor individual y/o
- -
- un flujo másico actual (\dot{m}_{g,t-1}) a través de la instalación compresora (1) y/o
- -
- la configuración de conexión actual (S_{i,t-1}) y/o
- -
- una presión de aspiración (P_{g,E}) en el lado de entrada (E) de la instalación compresora (1) y/o
- -
- una presión de aspiración (P_{i,E}) en el lado de entrada del grupo compresor individual y/o
- -
- una presión final (P_{g,A}) en el lado de salida (A) de la instalación compresora (1) y/o
- -
- una presión final (P_{i,A}) en el lado de salida (A) del grupo compresor individual (i = 1, ...,N) y/o
- -
- una temperatura (T_{g,A}) en el lado de salida (A) de la instalación compresora (1) y/o
- -
- una temperatura (T_{g,E}) en el lado de entrada (E) de la instalación compresora (1) y/o
- -
- una temperatura (T_{i,A}) en el lado de salida del grupo compresor individual (i = 1, ...,N) y/o
- -
- una temperatura (T_{i,E}) en el lado de entrada del grupo compresor individual (i = 1, ...,N) y/o
- -
- las velocidades de giro actuales de los grupos compresores.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12,
en el que el cálculo de optimización según el
principio de la regulación predictiva del modelo minimiza el
consumo total de energía esperado hasta un instante (t) posterior
mediante cálculos de pronóstico.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 13,
caracterizado porque en el cálculo de
optimización se tiene en cuenta un consumo de energía (Es) de un
proceso de conexión.
15. Procedimiento según la reivindicación
14,
caracterizado porque el consumo de
energía (Es) del proceso de conexión se calcula a partir de los
bloques de datos y/o los campos característicos (20) de los grupos
compresores (i = 1, ..., N).
16. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 15,
caracterizado porque el trabajo de
transporte específico (y_{g}) de la instalación compresora (1) se
supone constante para el ciclo de regulación (R), en particular
cuando los grupos compresores (i = 1, ..., N) están
conectados en paralelo.
17. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 15,
caracterizado porque el flujo másico
(\dot{m}_{g}) de la instalación compresora (1) se supone
constante para el ciclo de regulación (R), en particular cuando los
grupos compresores (i = 1, ..., N) están conectados en
serie.
18. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 17,
\newpage
en el que un grupo compresor activo
(S_{i}=1) funciona al menos con un caudal
(\dot{m}_{imin}) mínimo que puede prescribirse o bien
prescrito.
19. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 18,
en el que el cálculo de optimización se realiza
mediante un algoritmo
Branch-and-Bound (ramificación y
acotación).
20. Procedimiento según la reivindicación
19,
en el que se establece un límite (G) para el
algoritmo Branch-and-Bound
(ramificación y acotación) mediante la solución de un problema
simplificado por medio de la programación cuadrática secuencial.
21. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 20,
en el que el cálculo de optimización resuelve
problemas parciales mediante una programación dinámica, en
particular en una conexión en serie.
22. Equipo de control (10) para el control de
una instalación compresora (1) con al menos dos grupos compresores
(i = 1, ..., N) que pueden conectarse y/o desconectarse
separadamente y con un conjunto de dispositivos para modificar la
potencia de trabajo de los grupos compresores (i = 1, ...,
N),
caracterizado por
- -
- un módulo de optimización (11) con el que, cuando se prescriben nuevos valores de consigna o se modifica el estado actual de la instalación compresora, mediante un cálculo de optimización, a partir de una configuración de conexión actual (S_{i,t-1}) de los grupos compresores (i = 1, ..., N), puede calcularse una nueva configuración de conexión (S_{i,t}) para lograr un consumo de energía total optimizado (Eg) de la instalación compresora (1), y
- -
- por un módulo de ajuste (S) mediante el que puede ajustarse automáticamente la nueva configuración de conexión (S_{i,t}).
23. Equipo de control (10) según la
reivindicación 22,
caracterizado porque el módulo de
optimización (11) está dispuesto distanciado espacialmente, en
particular varios kilómetros, del equipo de control (10).
24. Equipo de control según una de las
reivindicaciones 22 a 23,
caracterizado porque el módulo de
optimización está orientado a tener en cuenta un consumo de energía
(Es) de un proceso de conexión.
25. Equipo de control según una de las
reivindicaciones 22 a 24,
caracterizado porque el módulo de
optimización (11) está orientado al cálculo de optimización para un
conjunto de equipos de control de varias instalaciones
compresoras.
26. Producto de programa de ordenador que
contiene un software para realizar un procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 21.
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