ES2946940A1 - Sistema de diagnostico global de redes de vapor y condensado en tiempo real - Google Patents

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Lezcano Maria Del Carmen Crespo
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Abstract

La presente especificación se refiere a una Patente de Invención correspondiente a un nuevo prototipo de sistema de diagnóstico global de redes de vapor y condensado en tiempo real, utilizando técnicas de procesamiento y análisis de datos basadas en Redes Neuronales, Inteligencia Artificial y Machine Learning. Dicho sistema de diagnóstico puede ser aplicado a toda red industrial de vapor integrada por una amplia diversidad de elementos tales como tuberías de distribución de vapor y de recuperación de condensados, consumidores de vapor, elementos de regulación y control, trampas de vapor, purgadores, válvulas de seguridad, válvulas automáticas on-off, válvulas de corte manual o automático, accesorios de tubería, calorifugados, etc.

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE DIAGNÓSTICO GLOBAL DE REDES DE VAPOR Y CONDENSADO EN TIEMPO REAL
SECTOR DE LA TÉCNICA
Monitorización industrial. Fiabilidad y Mantenimiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El estado actual del arte en materia de diagnóstico de redes de vapor y condensado carece de un sistema global que permita diagnosticar de modo automatizado y en tiempo real su estado de funcionamiento y detectar con anticipación alteraciones y problemas operativos, reducir la fiabilidad y disponibilidad de la red de vapor, reducir su eficiencia energética aumentar el consumo de vapor, aumentar emisiones atmosféricas de CO2, generar golpes de ariete térmicos e hidráulicos, originar fuertes erosiones causadas por flujos bifásicos a elevada velocidad, ocasionar daños en turbomáquinas por alimentación con vapor húmedo, dificultar e impedir la recuperación de energía residual del condensado por excesiva contrapresión, detectar bolsas de gases incondensables, detectar contaminación de condensados, etc.
En la actualidad se utilizan algunos tipos de sensor para monitorizar elementos aislados midiendo parámetros aislados tales como presión, temperatura, ultrasonido, conductividad, etc., que se instalan ocasionalmente en algunos elementos de la red de vapor. Incluso existen dispositivos que combinan algunos de ellos para monitorizar algunos elementos (por ejemplo, presión, temperatura y ultrasonido para monitorizar purgadores). Pero tales dispositivos solamente ofrecen diagnósticos de elementos aislados de la red de vapor, sin tener en cuenta la influencia que las variaciones de cualquiera de ellos puede ejercer sobre el funcionamiento global de la red de vapor y condensado considerada como un sistema complejo que integra una amplia variedad de elementos tales como tuberías de distribución de vapor, tuberías de recuperación de condensados, elementos de regulación y control, equipos consumidores de vapor, turbomáquinas, elementos de seguridad, aislamientos térmicos, válvulas de diversos tipos, trampas de vapor, purgadores, etc.
De otra parte, el correcto funcionamiento de redes de vapor y condensado no sólo depende de parámetros internos de las mismas, sino que generalmente es afectado por parámetros externos que modifican su comportamiento tales como lluvia, temperatura ambiente, velocidad del viento, etc., que pueden llegar a tener una gran influencia en el funcionamiento de dichas redes y generar alteraciones muy significativas de las condiciones reales de trabajo en todos sus elementos.
El estado del arte carece de un sistema de diagnóstico de redes de vapor y condensado, que tenga en cuenta los efectos cruzados entre parámetros internos y externos para determinar con precisión el comportamiento de dichas redes como un sistema global.
Para ilustrar lo antes expuesto, a continuación se describen varios ejemplos que ponen de manifiesto cómo diversos parámetros internos y externos modifican el comportamiento de redes de vapor:
Como primer ejemplo, es bien sabido que en los procesos industriales que utilizan vapor como portador energético el consumo de vapor requerido en invierno es sustancialmente mayor que el requerido en verano. Esto se debe a una mayor condensación de vapor en invierno producida para compensar la mayor pérdida de calor al exterior en equipos, tuberías, calorifugados, válvulas, accesorios, etc. El mismo efecto en el consumo de vapor se produce de forma mucho más acusada en días secos y soleados comparado con consumos de vapor en días fríos con viento y especialmente con lluvia.
Otros ejemplos, son la enorme reducción de eficiencia energética de la red de vapor cuando hay presencia de gases incondensables en su interior, o el riesgo de graves daños en turbomáquinas cuando son alimentadas con vapor húmedo, o el “clapeteo” de válvulas de seguridad que ocurre bajo ciertas condiciones atmosféricas o de servicio adversas produciendo rápidas secuencias de apertura y cierre periódico de alta frecuencia difíciles de diagnosticar, que suelen pasar inadvertidos por el usuario y pueden generar daños importantes en las mismas, pérdidas energéticas y alteraciones en los procesos.
Otro efecto típico es el enorme exceso de autoconsumo de vapor de purgadores y trampas de vapor en condiciones de lluvia y viento en el entorno, efecto observado en trampas de vapor de descarga cíclica tales como la de tipo termodinámico de disco. Dado que el cierre de dicha trampa de vapor implica la descarga de un chorro de vapor en cada ciclo, ello significa que las fugas de vapor de dicho tipo de trampa dependen de su cadencia de ciclos de descarga, que depende enormemente de las condiciones atmosféricas y climáticas. Ahora bien, al aumentar la frecuencia de descarga se incrementa la contrapresión en la red de condensado y ello afecta decisivamente al funcionamiento de otras trampas de vapor y por ende a toda la red y, de modo indirecto, incrementa las emisiones atmosféricas de CO2 ya que el vapor es habitualmente generado por combustión de combustibles fósiles.
De igual forma, el viento y las variaciones de temperatura ambiente producen el mismo efecto, aunque menos acusado que la lluvia.
En resumen, el comportamiento y rendimiento energético de las redes de vapor y condensado no sólo depende de sus parámetros de diseño y del de sus elementos, sino también de factores externos que afectan y modifican sustancialmente su comportamiento, que reducen la fiabilidad y disponibilidad de dichas redes, pudiendo llegar a causar graves problemas operativos que dejen fuera de servicio tales redes. En conclusión, el estado del arte carece de un sistema de diagnóstico global de redes de vapor y condensados consideradas como sistemas complejos sometidos a una amplia variedad de factores internos y condiciones externas que interacciona entre sí alterando su comportamiento.
.EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
El nuevo prototipo objeto de esta invención se basa la combinación de múltiples sensores de parámetros físicos internos de redes de vapor que se instalan en elementos característicos de redes de vapor y condensado, combinados con sensores de parámetros externos ambientales que ejercen influencia y modifican el comportamiento de las redes de vapor y condensado.
Los datos obtenidos son analizados conjuntamente por dispositivos electrónicos basados en microprocesador correlacionando sus variaciones cruzadas presentes. Es decir, el diagnóstico de estado de los elementos de la red de vapor no se analizará de forma individual y aislada sino como parte de un sistema global cuyos parámetros operativos están interrelacionados entre sí y varían con las condiciones ambientales locales en cada momento.
Para ello, se utilizarán técnicas de procesamiento y análisis de datos basados en redes neuronales y algoritmos de Inteligencia Artificial, lo que permitirá obtener diagnósticos globales de tipo predictivo-preventivo, que reflejarán fielmente el comportamiento real de las redes de vapor y condensado, como sistema global, en tiempo real, y facilitarán al usuario información anticipada para prevenir y evitar mal función y problemas operativos que podrían ocasionar graves consecuencias e incluso la parada no programada de la instalación.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
El nuevo prototipo objeto de esta invención se compone de los siguientes elementos:
a. Varios sensores para captación y medida de alguno o varios de los siguientes parámetros internos en redes de vapor y condensado tales como ultrasonido, temperatura, presión, conductividad, turbidez, corrosión, vibraciones.
b. Sensores de parámetros ambientales (temperatura, velocidad del viento, lluvia). Opcionalmente estos parámetros pueden ser captados desde otras fuentes externas (estaciones meteorológicas locales, datos facilitados por internet sobre condiciones locales, u otros medios disponibles).
c. Dispositivos de campo alojados en carcasas metálicas que albergan en su interior circuitos electrónicos basados en microprocesador, que disponen de varios canales de entrada de parámetros analógicos y digitales procedentes de los sensores.
d. Los citados circuitos electrónicos pueden ser alimentados por cualquiera de los siguientes medios: cable, pila, batería recargable mediante paneles fotovoltaicos, o batería recargable mediante células Peltier.
e. Un sistema de transmisión de datos desde los dispositivos de campo hasta dispositivos de recepción y procesado de datos. La transmisión de datos puede ser realizada por cualquier medio físico utilizado industrialmente tal como, sin carácter limitativo, bus de cable, transmisor de radio basado en protocolos industriales, módulo de telefonía móvil para redes Low Power Wide Area Network (LPWAN) basadas en 4G LTE, NarrowBand Internet of Things (NB-IoT)., 4G LTE-M, 5G, IoT (Internet of Things), etc.
f. Una plataforma de gestión de datos en la nube (Cloud Computing) basada en servidores Web y servidores de bases de datos, ya sean de tipo real o de tipo virtual, con análisis de datos basadas en Redes Neuronales, Inteligencia Artificial y Machine Learning.
g. Una potente Interfaz Gráfica de Usuario para visualizar los resultados de diagnósticos del sistema de forma intuitiva, utilizando técnicas de Realidad Aumentada y Realidad Virtual.
Los transmisores de datos pueden estar alojados en los propios dispositivos de campo o ser elementos externos, conectados a los dispositivos de campo por cualquier medio físico disponible de tipo cableado o inalámbrico.
La carcasa metálica del dispositivo debe disponer de conector mecánico que permita su fijación directa al elemento monitorizado o a la tubería conectada al elemento monitorizado. El conector debe permitir insertar a lo largo del mismo un número suficiente de aletas metálicas a modo de radiador térmico para disipar calor y evitar el sobrecalentamiento de los circuitos alojados en el interior de la carcasa metálica.
La información captada por todos los sensores es procesada mediante redes neuronales y algoritmos de Inteligencia Artificial y Machine Learning con el fin de proporcionar diagnósticos predictivos en tiempo real que permitan al usuario programar o lanzar acciones de correctivas mantenimiento predictivo y preventivo y evitar paradas no programadas, así como pronosticar con suficiente antelación maniobras operativas destinadas a optimizar los procesos energéticos y reducir emisiones atmosféricas de CO2.
El nuevo prototipo objeto de esta invención tiene innumerables aplicaciones en la vida real debido al uso generalizado de redes de vapor y condensado en una inmensa variedad de sectores industriales (energético, petroquímico, farmacéutico, alimentario, automoción, etc.).
Desde el punto de vista económico, el nuevo prototipo objeto de esta invención tiene un elevado interés por varios motivos:
a. Genera importantes ahorros energéticos por reducción de consumos de vapor.
b. Reduce emisiones atmosféricas de CO2, causante del llamado efecto invernadero y su influencia en el Calentamiento Global.
c. Mejora de procesos productivos que utilizan vapor como portador térmico.
d. Incrementa de fiabilidad de redes de vapor en la industria.
e. Reduce de costes de mantenimiento y operativos.
Desde el punto de vista de la seguridad, el nuevo prototipo objeto de esta invención también tiene un notable interés, pues el diagnóstico en tiempo real de redes de vapor y condensado no solo incrementa la eficiencia de los procesos sino que reduce riesgos accidentales en situaciones imprevisibles.

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo 1: SISTEMA DE DIAGNÓSTICO GLOBAL DE REDES DE VAPOR Y CONDENSADO EN TIEMPO REAL , caracterizado porque consta de los siguientes elementos:
a) Un conjunto de sensores de parámetros internos de red de vapor y condensado tales como ultrasonido, temperatura, presión, conductividad, turbidez, corrosión, vibración.
b) Un conjunto de sensores de parámetros ambientales locales (temperatura, velocidad del viento, lluvia). Opcionalmente estos parámetros pueden ser captados por el sistema desde otras fuentes externas (estaciones meteorológicas locales, datos facilitados por internet sobre condiciones locales, u otros medios disponibles).
c) Un número suficiente de transmisores de datos desde los sensores internos y externos hasta un sistema de recepción y procesamiento de datos.
d) Un sistema o plataforma informática de recepción y procesamiento de datos, que puede ser física o virtual y puede ser alojada localmente o en la nube (Cloud Computing).
e) Los dispositivos de campo tales como sensores y transmisores están alojados en cajas metálicas que albergan en su interior circuitos electrónicos y elementos hardware (sensores, circuitos electrónicos, pilas y/o baterías). Dicha carcasa es conectable mecánicamente a cualquier elemento de una red de vapor y condensado. El conector puede incorporar un radiador de aletas para evitar disipar calor.
f) Un sistema de alimentación eléctrica de sensores y transmisores, que puede ser por medio de pilas, por baterías recargables con energía solar, o por cableado eléctrico.
2. Dispositivo 2: Según reivindicación 1, UN MODULO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS, alojado en el interior de la carcasa descrita en la reivindicación 1, y está constituido por los siguientes elementos: un chasis o carcasa que puede albergar en su interior uno o varios sensores de ultrasonido, temperatura, presión, conductividad, turbidez, corrosión, o vibraciones, circuitos electrónicos de muestreo y análisis de dichos parámetros; un analizador electrónico basado en microprocesador para realizar el muestreo de parámetros captados por los citados sensores; y un emisor de datos para información óptica, acústica, numérica, analógica o digital, codificada en correspondencia con los valores de los parámetros medidos por los citados sensores.
a. Dispositivo 3: Según reivindicaciones 1 y 2, UNA PLATAFORMA INFORMÁTICA DE PROCESAMIENTO DE DATOS, física, virtual o en la nube, que procesa en tiempo real datos internos del proceso captados por sensores instalados en equipos monitorizados (ultrasonido, temperatura, presión, conductividad, turbidez, corrosión, vibraciones) y parámetros externos (temperatura ambiente, lluvia, velocidad el viento) y realiza análisis cruzado de todos ellos a lo largo del tiempo mediante Redes Neuronales, Inteligencia Artificial y Machine Learning.
3. Dispositivo 4: Según reivindicaciones 1, 2 y 3, UNA INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO PARA VISUALIZACIÓN DE RESULTADOS, basado en técnicas de realidad aumentada y realidad virtual.
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