ES2998083T3 - Dynamic heat release calculation for improved feedback control of solid-fuel-based combustion processes - Google Patents
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Abstract
La presente divulgación proporciona métodos y sistemas para modular un proceso de combustión basado en combustible sólido. Se determina una liberación instantánea de calor actual para un generador de calor basado en combustible sólido en un sensor virtual. La liberación instantánea de calor actual se compara con una demanda de velocidad de combustión actual. Cuando la liberación instantánea de calor actual no corresponde a la demanda de velocidad de combustión actual, se ajusta un flujo de aire de combustión inferior del generador de calor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Cálculo dinámico de liberación de calor para control por realimentación mejorado de procesos de combustión basados en combustible sólido
Referencia cruzada a la solicitud relacionada
La presente solicitud reivindica la prioridad según 35 USC § 119(e) de la solicitud de patente provisional que tiene el n.° de serie 62/557120 presentada el 11 de septiembre de 2017.
Campo técnico
La presente descripción se refiere a generadores de calor, y más específicamente al control de generadores de calor basados en biomasa.
Antecedentes
Los combustibles sólidos, tales como la biomasa, los residuos o el carbón, se utilizan desde hace mucho tiempo como fuente de combustible para la generación de energía. T radicionalmente, el combustible sólido se quema en un espacio cerrado o semicerrado, y la combustión del combustible sólido genera energía en forma de calor. Más recientemente, los esfuerzos hacia la energía verde, la eficiencia energética y la reducción de residuos han llevado a un resurgimiento de la generación de energía basada en combustible sólido. Un generador de calor de combustible sólido moderno quema combustible sólido en un horno u otro recinto, y el calor producido por la combustión y la pirólisis se utiliza para generar vapor de agua. El vapor se utiliza para suministrar calor a sumideros de calor, o se hace pasar a través de una turbina para generar energía, o se utiliza para producir otro trabajo útil.
Debido a las características inherentes a los combustibles sólidos, el proceso de combustión de los combustibles sólidos es algo irregular e impredecible. En efecto, a diferencia de los combustibles gaseosos en los que las reacciones de combustión son rápidas debido a la mezcla íntima de gas con aire, el quemado de combustible sólido es más lento y menos predecible debido a los grados variables de contenido de humedad, densidad, relación de área superficial a volumen, área superficial de combustible expuesta al aire, composición química y similares. Además, el proceso de alimentación de combustible sólido al interior del generador de calor es a menudo irregular, y puede conducir a picos o valles en la producción de calor. Estas características varían a lo largo el tiempo, típicamente no se pueden medir de manera precisa con sensores, y cambiarán durante todo el proceso de combustión, haciendo muy difícil mantener la liberación de calor en su objetivo deseado. Debido a estas difíciles dinámicas de combustión, las estrategias tradicionales de control de los generadores de calor de combustible sólido están diseñadas para responder a variaciones en la liberación de calor modulando la entrada de combustible sólido al generador de calor. La modulación de la entrada de combustible dará como resultado una lenta corrección en la liberación de calor, haciendo muy difícil mantener la liberación de calor del generador en su objetivo y forzando al sistema a confiar en otros actuadores más rápidos para el equilibrio de calor total del proceso, tales como condensación de vapor, salida de vapor y quemado de gas suplementario.
Por ejemplo, el documento WO2014/191865 publicado el 4 de diciembre de 2014 describe un método para modular un proceso de combustión basado en sólidos que determina una liberación de calor instantánea actual para un generador de calor basado en combustible sólido, comparando la liberación de calor instantánea actual con una demanda de velocidad de quemado actual y, cuando la liberación de calor instantánea actual no corresponde a la demanda de velocidad de quemado actual, ajustar las características operativas del generador de calor tales como los flujos de aire o la alimentación de combustible sólido.
Sigue existiendo la necesidad de controles mejorados para generadores de calor de combustible sólido.
Compendio
La presente invención se refiere a un sistema y un método de acuerdo con las reivindicaciones independientes 1 y 5. Las realizaciones preferidas de la misma se presentan en las reivindicaciones dependientes.
El sistema comprende un sistema generador de calor de combustión basado en combustible sólido que produce vapor de agua equipado con: un conjunto de sensores; un dispositivo de ajuste del valor de consigna dentro del sistema generador de calor; un sistema de distribución de vapor; y una caldera que comprende una salida de vapor a través de la cual el vapor producido sale de un tambor de caldera, estando acoplada la caldera al sistema de distribución de vapor de modo que el vapor producido dentro de la caldera es enviado hacia el sistema de distribución de vapor a través de la salida de vapor; comprendiendo el sistema un controlador de baja velocidad; un sensor virtual de liberación de calor instantánea, IHR (del inglésinstant Heat Release),configurado para estimar una IHR del sistema generador de calor en base a primeros valores medidos por uno o más de los sensores, de al menos el caudal de vapor en la salida de vapor y la presión del vapor en el tambor de caldera; y un controlador de alta velocidad configurado para recibir del controlador de baja velocidad una demanda de velocidad de quemado actual basada en segundos valores medidos por uno o más de los sensores, de un nivel de energía del vapor en el sistema de distribución de vapor, para recibir la IHR estimada del sensor virtual de IHR, para hacer una comparación de la demanda de velocidad de quemado actual recibida y la IHR estimada recibida, y para dar instrucciones al dispositivo de ajuste del valor de consigna para que ajuste un flujo de aire por debajo del fuego dentro del sistema generador de calor en base a la comparación.
El método para regular un proceso de combustión basado en combustible sólido para un sistema generador de calor que produce vapor equipado con un conjunto de sensores; un dispositivo de ajuste del valor de consigna dentro del sistema generador de calor; un sistema de distribución de vapor; una caldera que comprende una salida de vapor a través de la cual el vapor producido sale de un tambor de caldera, estando acoplada la caldera al sistema de distribución de vapor de modo que el vapor producido dentro de la caldera es enviado hacia el sistema de distribución de vapor a través de la salida de vapor; y un controlador de baja velocidad; comprende los pasos de: estimar mediante un sensor virtual de IHR una IHR del sistema generador de calor en base a primeros valores medidos por uno o más de los sensores, de al menos el caudal de vapor en la salida de vapor y la presión del vapor en el tambor de caldera; recepción por parte del controlador de alta velocidad de la IHR estimada procedente del sensor virtual de IHR; hacer una comparación de la demanda de velocidad de quemado actual recibida y la IHR estimada recibida; y dar instrucciones al dispositivo de ajuste del valor de consigna para que ajuste un flujo de aire por debajo del fuego dentro del sistema generador de calor en base a la comparación.
Breve descripción de los dibujos
Rasgos y ventajas adicionales de las realizaciones descritas en el presente documento pueden resultar evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, tomada en combinación con los dibujos adjuntos, en los cuales:
La Figura 1 es un diagrama de un sistema generador de calor de combustible sólido de ejemplo.
La Figura 2 es un diagrama de un sistema de control para modular un proceso de combustión basado en combustible sólido según la invención.
La Figura 3 es un diagrama de bloques de un sistema informático de ejemplo.
La Figura 4 es un diagrama de bloques de un sistema de control de ejemplo para el sistema generador de calor de combustible sólido de la Figura 1.
La Figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un método de ejemplo para modular un proceso de combustión basado en combustible sólido según la invención.
Se observará que, a lo largo de todos los dibujos adjuntos, rasgos similares se identifican mediante números de referencia similares.
Descripción detallada
Con referencia a la Figura 1, se muestra un sistema generador de calor de combustible sólido 100. El sistema generador de calor de combustible sólido 100 sirve para realizar combustión de combustible sólido 102, produciendo de ese modo calor 104. El sistema generador de calor de combustible sólido 100 incluye un horno 110, una caldera 120 y un sistema de distribución de vapor 130. El horno 110 y la caldera 120 están acoplados de manera que el calor producido dentro del horno 110, a través de la combustión del combustible sólido 102, calienta agua en la caldera 120, produciendo vapor.
La caldera 120 incluye un tambor de caldera 122, que está provisto de agua para la producción de vapor por medio de la acción de calentamiento del horno 110. La caldera 120 también incluye una salida de vapor 124, a través de la cual el vapor producido dentro del tambor de caldera 120 sale del tambor de caldera 122. La caldera 120 y el sistema de distribución de vapor 130 están acoplados de modo que el vapor producido dentro de la caldera 120 es enviado hacia el sistema de distribución de vapor 130 a través de la salida de vapor 124. El sistema de distribución de vapor 130 envía entonces el vapor producido por el sistema generador de calor de combustible sólido 100 a turbinas u otros consumidores de energía basada en vapor. Cabe señalar que, aunque la exposición anterior se centra principalmente en calderas de vapor, en realizaciones no cubiertas por la presente invención los sistemas y métodos descritos en el presente documento también pueden aplicarse a calderas de agua caliente, o a cualquier otro tipo adecuado de caldera.
El horno 110 es una estructura sustancialmente cerrada que puede ser cilíndrica, oblonga, rectangular o de cualquier otra forma adecuada. El horno 110 puede estar fabricado de cualquier material resistente al calor adecuado, por ejemplo acero al carbono. El horno 110 tiene definida en el mismo una abertura a través de la cual se alimenta combustible sólido 102 al horno 110, por ejemplo por medio de una cinta transportadora 106. La cinta transportadora 106 está configurada para llevar combustible sólido 102 hacia el horno 110 para su combustión. La cinta transportadora 106 puede ser cualquier mecanismo adecuado para transportar el combustible sólido y depositarlo dentro del horno 110, por ejemplo, a través de la abertura del horno 110. La cinta transportadora 106 puede adquirir el combustible sólido 102 por medio de cualquier mecanismo adecuado, y puede interactuar con una reserva de combustible sólido de cualquier forma adecuada. Cabe señalar que también se consideran otras estrategias para proporcionar combustible al horno 110.
El horno 110 tiene dispuesta en su interior una rejilla de superficie 112, por ejemplo una rejilla, sobre la que descansa el combustible sólido 102 para su combustión. La rejilla de superficie 112 puede abarcar toda la anchura del horno 110, y puede estar inclinada con respecto a un suelo del horno 110 con cualquier inclinación adecuada. La rejilla de superficie 112 puede estar hecha de cualquier material adecuadamente resistente al calor, por ejemplo acero, y puede estar provista de un sistema de refrigeración que utiliza aire o agua con fines de refrigeración. En algunas realizaciones, la rejilla de superficie 112 tiene definidas en ella una o más aberturas u orificios a través de los cuales puede dirigirse aire u otros elementos oxidantes por debajo del combustible sólido 102. En algunas realizaciones, la superficie 112 está acoplada a uno o más motores o elementos similares que provocan movimiento en la superficie 112. Por ejemplo, los motores pueden ajustar la velocidad de la rejilla de superficie 112 y/o impartir un movimiento vibratorio a la rejilla de superficie 112 que provoca que el combustible sólido 102 se mueva a lo largo de la rejilla de superficie 112. En algunas otras realizaciones, la rejilla de superficie 112 es estacionaria.
El horno 110 también tiene típicamente dos o más entradas de aire, que incluyen al menos una entrada de aire por debajo del fuego 114 y opcionalmente una entrada de aire por encima del fuego 116. Las entradas de aire 114, 116 están configuradas para proporcionar aire u otros elementos oxidantes al horno 110, ayudando de ese modo a la combustión del combustible sólido 102. La entrada de aire por debajo del fuego 114 puede estar ubicada en cualquier posición adecuada debajo o dentro de la rejilla de superficie 112, y por tanto por debajo o aproximadamente a nivel con el proceso de combustión del combustible sólido 102. En algunas realizaciones, la entrada de aire por debajo del fuego 114 incide de manera sustancialmente directa sobre la rejilla de superficie 112. La entrada de aire por encima del fuego 116 puede estar ubicada en cualquier posición adecuada por encima del proceso de combustión del combustible sólido 102. En algunas realizaciones, cada una de las entradas de aire 114, 116 es una serie de entradas de aire. Por ejemplo, la entrada de aire por encima del fuego 116 puede incluir una pluralidad de entradas de aire ubicadas en diferentes posiciones dentro del horno 110. En algunas realizaciones, las entradas de aire 114, 116 están provistas de reguladores, que pueden ser manuales o automáticos, para ajustar el flujo de aire hacia el interior del horno 110. En algunas realizaciones, se prescinde de la entrada de aire por encima del fuego 116.
El horno 110 también tiene una o más salidas de aire, que incluyen al menos una salida 118 de gas de combustión. La salida 118 de gas de combustión proporciona una ruta de salida para humos y otros gases producidos por la combustión del combustible 102 sólido, denominados en conjunto "gas de combustión", para dejarlos salir del horno 110. En algunas realizaciones, la salida 118 de gas de combustión deja salir el gas de combustión a un entorno exterior. En algunas otras realizaciones, la salida 118 de gas de combustión deja salir el gas de combustión a una etapa o sistema de procesamiento posterior. Por ejemplo, parte o todo el gas de combustión se utiliza como parte de procesos de recuperación de calor adicionales. En otro ejemplo, el gas de combustión se procesa para eliminar ciertos productos químicos o partículas que se encuentran en el mismo antes de dejarlo salir al entorno exterior. En algunas realizaciones, la salida 118 de gas de combustión es una pluralidad de salidas de gas de combustión ubicadas en diversas posiciones alrededor del horno 110.
Ubicados dentro y cerca del sistema generador de calor de combustible sólido 100 se encuentran una pluralidad de sensores 140. Los sensores 140 se usan para monitorizar, medir y controlar diversos puntos de datos relacionados con características de los componentes del sistema generador de calor de combustible sólido 100, incluyendo el horno 110, la caldera 120 y el sistema de distribución de vapor 130. Algunos de los sensores 140 pueden usarse para inferir características de entrada de combustible, medir cambios en el equilibrio entrada-salida de calor, monitorizar características de la rejilla de superficie 112, por ejemplo, la altura relativa del combustible sólido 102 sobre la rejilla de superficie 112 midiendo la presión diferencial entre la base de la rejilla 112 y el horno 110, una temperatura de la rejilla de superficie 112 o en las proximidades de la rejilla de superficie 112, y similares. Además, algunos de los sensores 140 pueden usarse para medir un nivel de presión en el tambor de caldera 122, un caudal de vapor a través de la salida de vapor 124, y similares. También se consideran otros tipos de sensores.
El sistema generador de calor de combustible sólido 100 también está provisto de un sistema de control 150 que regula el funcionamiento del sistema generador de calor de combustible sólido 100 en base a información recopilada por los sensores 140 y otras entradas, por ejemplo procedentes de una interfaz de control utilizada por uno o más operadores del sistema generador de calor de combustible sólido 100. En algunas realizaciones, el sistema de control 150 está acoplado comunicativamente a los sensores 140 para obtener datos de los sensores acerca de las características del sistema generador de calor de combustible sólido 100. En otras realizaciones, los sensores 140 están acoplados comunicativamente a la interfaz de control o a otro controlador central de alto nivel, que a continuación proporciona al sistema de control 150 la información necesaria.
El sistema de control 150 regula el funcionamiento del sistema generador de calor de combustible sólido 100 con el objetivo de hacer que la caldera 120 produzca vapor de agua a una velocidad sustancialmente estable y constante en base a un nivel deseado de demanda de vapor. Una generación de vapor estable y controlable por parte de la caldera 120 significa un suministro fiable de vapor al sistema de distribución de vapor 130. Esto, a su vez, significa que la cantidad de vapor disponible para el sistema de distribución de vapor 130 no está restringida por la capacidad del generador de vapor de combustible sólido 100 de seguir la demanda de vapor total establecida por las diferentes turbinas y sumideros de calor. Para hacer esto, el sistema de control 150 está configurado para alterar el proceso de combustión dentro del horno 110 para mantener una liberación de calor instantánea (IHR) en el objetivo y para atenuar cualquier variación incontrolada de liberación de calor.
Con referencia a la Figura 2, se muestra un diagrama de un sistema de control 200 para modular un proceso de combustión basado en combustible sólido. El sistema de control 200 puede ser, por ejemplo, una implementación del sistema de control 150. El sistema de control 200 incluye un controlador de baja velocidad 202, un sensor virtual de IHR 204, un controlador de alta velocidad 206 y un dispositivo de ajuste del valor de consigna 208.
El controlador de baja velocidad 202 está configurado para obtener un primer conjunto de valores de sensor de uno o más de los sensores 140, y puede incluir flujo de vapor, presión del tambor de vapor y similares. El controlador de baja velocidad 202 mide un nivel de energía del sistema de colector de vapor 130, por ejemplo, en base a la presión del vapor.
El sensor virtual de IHR 204 recibe una demanda de velocidad de quemado actual para el horno 110 del controlador de baja velocidad 202 basada en el primer conjunto de valores de sensor. En algunas realizaciones, la demanda de velocidad de quemado actual se establece como un valor requerido para la IHR para el horno 110. La demanda de IHR del horno 110 es la cantidad total requerida de calor instantáneo a producir mediante la combustión del combustible sólido 102 en el horno 110.
El sensor virtual de IHR 204 está configurado para obtener un segundo conjunto de valores de sensor de uno o más de los sensores 140, y puede incluir temperatura del horno, presión del horno, composición del gas de combustión, temperatura del tambor, presión del tambor y similares. En algunas realizaciones, el sensor virtual de IHR 204 calcula una estimación de la IHR del proceso para el horno 110 en base al segundo conjunto de valores de sensor.
Para medir o estimar la IHR, se utiliza el sensor virtual de IHR 204 para producir un valor para la IHR actual en base a una variedad de información, incluyendo la recibida desde los sensores 140. En algunas realizaciones, el sensor virtual de IHR 204 determina la IHR en base a un caudal de vapor procedente de la caldera 120 y una presión en el tambor de caldera 122. Por ejemplo, la IHR puede expresarse mediante la siguiente ecuación:
donde<Fsteam>es una velocidad de vaporización de la caldera 120 (por ejemplo, en unidades de masa partida por
tiempo),Kes una constante predeterminada, ydtes un diferencial de presión para el tambor de caldera 122 (por ejemplo, en unidades de presión partida por tiempo). En algunas realizaciones,Kse selecciona de modo que cualquier variación en la velocidad de vaporización provocada por cambios de presión aguas abajo de la caldera 120, por ejemplo en el sistema de distribución de vapor 130, se desecha como indicaciones falsas de cambio en la liberación de calor. Por ejemplo, se puede usar para la IHR una fórmula más compleja, con uno o más parámetros no lineales y donde las variables y las tasas de cambio de las variables se combinan de forma dinámica. En otro ejemplo, dentro del sensor virtual se utiliza una red neuronal u otro sistema de aprendizaje automático para calcular y estimar un valor de proceso para la IHR que puede usarse como una o más variables de control basadas en la IHR objetivo recibida por el controlador de baja velocidad 202.
En algunas realizaciones, el sensor virtual de IHR 204 utiliza información adicional para determinar la IHR. Por ejemplo, la composición química del gas de combustión expulsado en la salida 118 de gas de combustión, por ejemplo, una concentración de O2 en el mismo, se utiliza como factor adicional para el sensor virtual de IHR 204. En otro ejemplo, una temperatura de la superficie 112 y/o una distribución másica de combustible sólido 102 sobre la superficie 112 se utiliza como factor adicional para el sensor virtual de IHR 204. También pueden usarse otros factores para complementar o aumentar el sensor virtual de IHR 204, incluyendo cualquiera de los factores enumerados anteriormente en el presente documento.
El controlador de alta velocidad 206 está configurado para recibir la demanda de velocidad de quemado actual desde el controlador de baja velocidad 202 y la IHR desde el sensor virtual de IHR 204. En algunas realizaciones, el controlador de alta velocidad está configurado para operar en tiempo sustancialmente real, por ejemplo, al menos a una velocidad de ejecución más rápida que 5 segundos. En algunas realizaciones, la demanda de velocidad de quemado es representativa de un valor requerido para la IHR del horno 110. La demanda de velocidad de quemado y la IHR pueden proporcionarse en cualquier formato adecuado, y pueden ser recibidas por el segundo controlador a través de cualquier medio cableado o inalámbrico adecuado. En algunas realizaciones, el segundo controlador está provisto de una demanda de velocidad de quemado por defecto que permanece sustancialmente sin cambios, por ejemplo, debido a largos tiempos de respuesta para la presión de vapor y el flujo de vapor a cambios en el flujo de aire y la entrada de combustible, y por lo tanto los pasos 202 y 204 pueden saltarse.
El controlador de alta velocidad 206 también está configurado para comparar la IHR, obtenida del sensor virtual de IHR 204, con la demanda de velocidad de quemado actual obtenida del controlador de baja velocidad 202. A medida que tiene lugar el proceso de combustión dentro del horno 110 se producen cambios en la IHR con respecto a la demanda de velocidad de quemado, y estos cambios pueden ser atribuibles a una variedad de factores que son difíciles o poco prácticos de medir directamente. Sin embargo, los efectos medibles a lo largo de todo el sistema generador de calor de combustible sólido 100 pueden servir como una aproximación para determinar o estimar la IHR y/o cambios en la IHR, a través del sensor virtual. En algunas realizaciones, el controlador de alta velocidad 206 también está configurado para proyectar cambios en la IHR y/o para establecer tendencias en la IHR en base a uno o más valores pasados de la IHR.
Por ejemplo, cambios en la IHR producen como resultado cambios en la composición del gas de combustión (H<2>O, concentración de exceso de O<2>, CO, NO<x>y similares) y un perfil de temperatura del horno, por ejemplo desde el lugar de combustión en la superficie 112 hasta el gas de combustión en la salida 118 de gas de combustión. Adicionalmente, se pueden observar diferencias de transmisión de calor, por ejemplo a través de cálculos de equilibrio energético, en elementos posteriores como sobrecalentadores de vapor, economizadores, calentadores de aire u otros intercambiadores de calor que usan gases de combustión.
Además, cambios en la IHR producen como resultado varios efectos medibles dentro de la caldera 120, por ejemplo cambios en la presión y/o temperatura en el tambor de caldera 122, en la velocidad de producción de vapor de la caldera 120, y en un nivel de agua en el tambor de caldera 122. Por ejemplo, un aumento en la IHR vaporizará parte del agua contenida en el tambor de caldera 122, provocando un aumento medible en un nivel de vapor en el tambor de caldera 122, un cambio en la presurización del tambor de caldera 122, así como un aumento de la velocidad de vaporización por parte de la caldera 120. Por el contrario, una reducción en la liberación de calor despresuriza el tambor de caldera 122, provoca una contracción del nivel de agua en el tambor de caldera 122 debido a la reducción repentina del volumen de vapor dentro del banco, y reduce la velocidad de vaporización de la caldera 120.
En algunas realizaciones, el controlador de alta velocidad 206 también compara la IHR actual con al menos una IHR determinada previamente. En algunas realizaciones, la comparación se mide en términos de una variación relativa de la IHR actual con respecto a la IHR medida previamente. En otras realizaciones, la comparación se mide en términos de una variación absoluta de la IHR actual con respecto a la IHR medida previamente. También se consideran otras comparaciones.
El dispositivo de ajuste del valor de consigna 208 está configurado para recibir instrucciones del controlador de alta velocidad 206 para ajustar el flujo de aire por debajo del fuego, proporcionado por la entrada de aire por debajo del fuego 114, en base a la comparación entre la IHR y la demanda de velocidad de quemado actual, o cualquier otro factor adecuado, realizada por el segundo controlador. Ajustando el flujo de aire por debajo del fuego, se altera el proceso de combustión del combustible sólido 102, ajustando de ese modo la IHR para compensar desviaciones en la IHR.
Por ejemplo, si el controlador de alta velocidad 206 determina que la IHR es menor que la demanda de velocidad de quemado actual, por ejemplo según lo establecido por el primer controlador, el flujo de aire por debajo del fuego se incrementa rápidamente, forzando más aire hacia el combustible sólido 102, lo que conducirá a una reacción de combustión y liberación de calor aumentadas. Por el contrario, si la IHR está por encima de la demanda de velocidad de quemado, por ejemplo según lo establecido por el primer controlador, se disminuye rápidamente el flujo de aire por debajo del fuego para reducir la cantidad de oxígeno que fluye hacia el combustible sólido 102, reduciendo de ese modo la combustión dentro del horno.
En algunas realizaciones, al controlador de alta velocidad 206 se le permite una cierta tolerancia para la IHR. Por ejemplo, solo se considera que la IHR requiere ajuste del flujo de aire por debajo del fuego cuando la IHR actual se desvía de la demanda de velocidad de quemado actual en más de una tolerancia predeterminada. La tolerancia predeterminada puede ser un porcentaje de desviación, un número de desviaciones estándar, o cualquier otro valor adecuado.
Opcionalmente, el dispositivo de ajuste del valor de consigna 208 está configurado para ajustar otras una o más características de funcionamiento del sistema generador de calor de combustible sólido 100 en base a la IHR actual. Esto puede incluir ajustar el caudal de aire por encima del fuego proporcionado por la entrada de aire por encima del fuego 116, ajustar el caudal de combustible sólido 102 hacia el horno 110, y/o una velocidad de movimiento de la superficie 112 cuando el nivel de fluctuación no corresponde a la demanda de velocidad de quemado actual. Por ejemplo, cuando la superficie 112 es una rejilla, el dispositivo de ajuste del valor de consigna 208 ajusta la velocidad de vibración de la rejilla. En otro ejemplo, cuando la entrada de aire por encima del fuego 116 incluye una entrada de gas de combustión reciclado, el dispositivo de ajuste del valor de consigna 208 ajusta el caudal de gas de combustión reciclado. También se consideran otras realizaciones.
En algunas realizaciones, el flujo de aire por debajo del fuego 116 y opcionalmente otras características de funcionamiento del sistema generador de calor de combustible sólido 100 se ajustan de manera sustancialmente continua en respuesta a la IHR y/o a cambios en la demanda de velocidad de quemado actual. El sistema de control 200 está configurado para ajustar iterativamente los diversos puntos de ajuste del horno 110 en respuesta a cambios adicionales en la IHR y/o en la demanda de velocidad de quemado actual. Por ejemplo, se puede obtener una demanda de velocidad de quemado posterior, y el sistema de control 200 ajusta aún más el flujo de aire por debajo del fuego y opcionalmente las otras características de funcionamiento del sistema generador de calor de combustible sólido 100 en base a cambios adicionales en la IHR. Se producen cambios en la IHR después de cambios en el proceso de quemado de combustible, y debido a algunos ajustes realizados por el dispositivo de ajuste del valor de consigna 208.
En algunas realizaciones, el sistema de control 200 opera periódicamente en cualquier intervalo adecuado. Por ejemplo, el funcionamiento del sistema de control 200 se repite varias veces por segundo, cada segundo, cada pocos segundos, varias veces por minuto, cada minuto, cada pocos minutos, varias veces por hora, cada hora, cada pocas horas, varias veces al día, o en cualquier otro intervalo adecuado. En algunas otras realizaciones, el sistema de control 200 se hace funcionar en respuesta a la recepción por parte del sistema de control 200 de una solicitud para realizar diversas operaciones, o cualquier otro desencadenante adecuado.
En algunas realizaciones, se establece un retardo temporal mínimo entre las IHR determinadas previamente y la IHR actual. El retardo temporal puede usarse para ignorar o filtrar variables de proceso 140 para validarlas y eliminar valores atípicos para su uso como variables de entrada cuando se determina el nivel de fluctuación actual.
El sistema de control 200 proporciona un bucle de realimentación rápida que puede usarse para estabilizar la liberación de calor del sistema de combustión de biomasa 100 ajustando el flujo de aire por debajo del fuego proporcionado por la entrada de aire por debajo del fuego 114 y, opcionalmente, otros parámetros operativos, en base a la fluctuación de la IHR. El método 200 puede reducir la variabilidad a corto plazo de la producción de vapor. En algunas realizaciones, el método 200 se utiliza para ajustar el funcionamiento del sistema generador de calor de combustible sólido 100 en una escala de minutos, por ejemplo, con una constante de tiempo de bucle cerrado de menos de dos minutos.
Con referencia a la Figura 3, los sistemas de control 150 y 200 pueden implementarse mediante un dispositivo informático 310, que comprende una unidad de procesamiento 312 y una memoria 314 que tiene almacenadas en ella instrucciones 316 ejecutables por ordenador. La unidad de procesamiento 312 puede comprender cualquier dispositivo adecuado configurado para hacer que se realicen una serie de pasos para implementar la funcionalidad de los sistemas de control 150 y 200, de manera que las instrucciones 316, cuando son ejecutadas por el dispositivo informático 310 u otro aparato programable, pueden hacer que se ejecuten las funciones/actos/pasos especificados en los métodos descritos en el presente documento. La unidad de procesamiento 312 puede comprender, por ejemplo, cualquier tipo de microprocesador o microcontrolador de propósito general, un procesador de procesamiento de señales digitales (DSP), una unidad central de procesamiento (CPU), un circuito integrado, una matriz de puertas programables in situ (FPGA), un procesador reconfigurable, otros circuitos lógicos programados adecuadamente o programables, o cualquier combinación de los mismos.
La memoria 314 puede comprender cualquier medio de almacenamiento legible por máquina conocido adecuado u otro. La memoria 314 puede comprender un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio como por ejemplo, pero no limitado a, un sistema, aparato o dispositivo electrónico, magnético, óptico, electromagnético, infrarrojo o semiconductor, o cualquier combinación adecuada de los anteriores. La memoria 314 puede incluir una combinación adecuada de cualquier tipo de memoria informática que esté ubicada interna o externamente al dispositivo tal como, por ejemplo, memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de solo lectura (ROM), memoria de solo lectura de disco compacto (CDROM), memoria electro-óptica, memoria magneto-óptica, memoria de solo lectura programable borrable (EPROM) y memoria de solo lectura programable borrable eléctricamente (EEPROM), RAM ferroeléctrica (FRAM) o similares. La memoria 314 puede comprender cualquier medio de almacenamiento (por ejemplo, dispositivos) adecuado para almacenar de forma recuperable las instrucciones ejecutables por ordenador 316 ejecutables por la unidad de procesamiento 312.
Cabe señalar que pueden emplearse diversos tipos de sistemas informáticos y enfoques lógicos, según sea apropiado. Esto incluye lógica difusa, desviación, controladores predictivos de modelo, control PID adaptativo, y similares. Adicionalmente, puede usarse cualquier tipo adecuado de sistema de aprendizaje automático o inteligencia artificial, incluyendo tanto redes neuronales supervisadas como no supervisadas, y similares.
Con referencia a la Figura 4, una realización del sistema de control 150 está configurada para interaccionar con los sensores 140, una interfaz de control 402 y una base de datos u otro medio de almacenamiento 404. Los sensores 140 están configurados para obtener información acerca de las características de funcionamiento del sistema generador de calor de combustible sólido 100 y para proporcionar la información al sistema de control 150 y, opcionalmente, a la interfaz de control 402. La interfaz de control 402 está configurada para proporcionar al sistema de control 150 la demanda de velocidad de quemado y, opcionalmente, la información procedente de los sensores 140. La base de datos 404 está configurada para almacenar una matriz de IHR determinadas previamente, acciones de control pasadas, para recibir y almacenar la IHR actual, y para proporcionar la IHR determinada previamente al sistema de control 150.
El sistema de control 150 incluye un módulo de IHR 410 y un módulo de ajuste 420. El módulo de ajuste 420 puede estar provisto de una pluralidad de unidades que están configuradas cada una de ellas para ajustar el funcionamiento de un elemento particular del sistema generador de calor de combustible sólido. Por ejemplo, el módulo de ajuste 420 incluye una unidad de flujo por debajo del fuego 422, que controla el caudal de aire por debajo del fuego a través de la entrada de aire por debajo del fuego 114, una unidad de flujo por encima del fuego 424, que controla la velocidad del flujo de aire por encima del fuego a través de la entrada de aire por encima del fuego 116 , una unidad de flujo de combustible 426, que controla el caudal de combustible sólido 106 hacia el horno 110, y una unidad de control de la superficie 428, que controla el movimiento de la superficie 112. En otros ejemplos, el módulo de ajuste 420 puede incluir menos unidades, o unidades adicionales, según sea apropiado.
El módulo de IHR 410 está configurado para recibir opcionalmente la demanda de velocidad de quemado actual, por ejemplo, desde la interfaz de control 402. El módulo de fluctuación 410 puede recibir la demanda de velocidad de quemado actual a través de cualquier ruta de comunicación cableada o inalámbrica adecuada, y en cualquier formato adecuado.
El módulo de IHR 410 también está configurado para determinar la IHR actual y la IHR determinada previamente. El módulo de IHR 410 utiliza la información recibida de los sensores 140 y/o de la interfaz de control 402 para determinar la IHR actual y, opcionalmente, obtiene la IHR determinada previamente de la base de datos 404. El módulo de IHR 410 compara entonces la IHR actual con la demanda de velocidad de quemado actual, y con cualquier otro valor, según sea apropiado.
Cuando la IHR actual no corresponde a la demanda de velocidad de quemado actual, el módulo de IHR 410 envía una indicación al módulo de ajuste 420 y da instrucciones al módulo de ajuste 420 para que ajuste el flujo de aire por debajo del fuego. El módulo de ajuste 420, por medio de la unidad de aire por debajo del fuego 422, ajusta el flujo de aire por debajo del fuego en respuesta a la indicación recibida desde el módulo de fluctuación 410, según el paso 208.
Opcionalmente, la indicación desde el módulo de IHR 410 al módulo de ajuste 420 también da instrucciones al módulo de ajuste 420 para que ajuste otros parámetros operativos del sistema generador de calor de combustible sólido 100. El módulo de ajuste 420 efectúa entonces los cambios en los parámetros operativos del sistema generador de calor de combustible sólido 100 a través de las unidades 424, 426, 428 apropiadas. Por ejemplo, el módulo de ajuste 420 efectúa un cambio en el flujo de aire por encima del fuego a través de la unidad de flujo por encima del fuego 424. En otro ejemplo, el módulo de ajuste 420 efectúa un cambio en la velocidad de vibración de la rejilla en el horno 110 a través de la unidad de control de la superficie 428.
Con referencia a la Figura 5, en algunas realizaciones el sensor virtual de IHR 204 y el controlador de alta velocidad 206 colaboran para implementar un método 500. Cabe señalar que, en otras realizaciones, el método 500 se implementa mediante más o menos componentes.
En el paso 502, se recibe opcionalmente una demanda de velocidad de quemado actual. En el paso 504, se determina una IHR por medio de un sensor virtual. En el paso 506, se compara la iHr con la demanda de velocidad de quemado actual. En el paso 508, se ajusta un flujo de aire por debajo del fuego cuando la liberación de calor instantánea no corresponde a la demanda de velocidad de quemado actual. En el paso 510, se ajusta al menos uno de entre el flujo de aire por encima del fuego, un caudal de combustible y una velocidad de movimiento de una superficie cuando la liberación de calor instantánea no corresponde a la demanda de velocidad de quemado actual.
Los métodos y sistemas para modular un proceso de combustión basado en combustible sólido descritos en el presente documento pueden implementarse en un lenguaje de programación o de secuencia de comandos procedimental u orientado a objetos de alto nivel, o lógica de bloques de función, o lógica en escalera, o algoritmos basados en estados, o una combinación de los mismos, para comunicarse con o ayudar en el funcionamiento de un sistema informático, por ejemplo, el dispositivo informático 310. Alternativamente, los métodos y sistemas para modular un proceso de combustión basado en combustible sólido descritos en el presente documento pueden implementarse en lenguaje ensamblador o código máquina. El lenguaje puede ser un lenguaje compilado o interpretado. El código de programa para implementar los métodos y sistemas para generar energía basada en combustible sólido descritos en el presente documento puede almacenarse en un medio o dispositivo de almacenamiento, por ejemplo, una ROM, un disco magnético, un disco óptico, una unidad flash o cualquier otro medio o dispositivo de almacenamiento adecuado. El código de programa puede ser legible por un ordenador programable de propósito general o especial para configurar y operar el ordenador cuando el ordenador lee el medio o dispositivo de almacenamiento para realizar los procedimientos descritos en el presente documento. También se puede considerar que las realizaciones de los métodos y sistemas para modular un proceso de combustión basado en combustible sólido descritos en el presente documento se implementen por medio de un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio que tiene un programa informático almacenado en el mismo. El programa informático puede comprender instrucciones legibles por ordenador que hacen que un ordenador, o más específicamente la al menos una unidad de procesamiento del ordenador, opere de una manera específica y predefinida para realizar las funciones descritas en el presente documento.
Las instrucciones ejecutables por ordenador pueden tener muchas formas, incluyendo módulos de programa, ejecutados por uno o más ordenadores u otros dispositivos. Generalmente, los módulos de programa incluyen rutinas, programas, objetos, componentes, estructuras de datos, etc., que realizan tareas particulares o implementan tipos de datos abstractos particulares. Típicamente, la funcionalidad de los módulos de programa puede combinarse o distribuirse según se desee en diversas realizaciones.
Diversos aspectos de los métodos y sistemas para modular un proceso de combustión basado en combustible sólido descritos en el presente documento pueden usarse solos, en combinación o en una variedad de disposiciones no expuestas específicamente en las realizaciones descritas en lo anterior y, por lo tanto, no están limitados en su aplicación a los detalles y la disposición de los componentes expuestos en la descripción anterior o ilustrados en los dibujos. Por ejemplo, aspectos descritos en una realización pueden combinarse de cualquier manera con aspectos descritos en otras realizaciones. Aunque se han mostrado y descrito realizaciones particulares, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar cambios y modificaciones sin apartarse de esta invención en sus aspectos más amplios. El alcance de las siguientes reivindicaciones no debería estar limitado por las realizaciones preferidas expuestas en los ejemplos, sino que debería proporcionarse la interpretación razonable más amplia consistente con la descripción en su conjunto.
Claims (9)
1. Un sistema que comprende un sistema generador de calor de combustión basado en combustible sólido (100) que produce vapor equipado con:
- un conjunto de sensores (140);
- un dispositivo de ajuste del valor de consigna (208) dentro del sistema generador de calor;
- un sistema de distribución de vapor (130); y
- una caldera (120) que comprende una salida de vapor (124) a través de la cual el vapor producido sale de un tambor de caldera (122), estando acoplada la caldera al sistema de distribución de vapor de modo que el vapor producido dentro de la caldera (120) es enviado hacia el sistema de distribución de vapor (130) a través de la salida de vapor (124);
comprendiendo el sistema:
- un controlador de baja velocidad (202);
- un sensor virtual de liberación instantánea de calor, IHR, (204) configurado para estimar una IHR del sistema generador de calor en base a primeros valores medidos por uno o más de los sensores (140), de al menos el caudal de vapor en la salida de vapor (124) y la presión de vapor en el tambor de caldera (122); y
- un controlador de alta velocidad (206) configurado para recibir del controlador de baja velocidad (202) una demanda de velocidad de quemado actual basada en segundos valores medidos por uno o más de los sensores (140), de un nivel de energía del vapor en el sistema de distribución de vapor (130), para recibir la IHR estimada del sensor virtual de IHR, para hacer una comparación de la demanda de velocidad de quemado actual recibida y la IHR estimada recibida, y dar instrucciones al dispositivo de ajuste del valor de consigna (208) para que ajuste un flujo de aire por debajo del fuego dentro del sistema generador de calor en base a la comparación.
2. El sistema de la reivindicación 1, en el cual el controlador de alta velocidad (206) está configurado además para dar instrucciones al dispositivo de ajuste del valor de consigna (208) para que ajuste al menos uno de un flujo de aire por encima del fuego, un caudal del combustible sólido que se alimenta al sistema generador de calor, y una velocidad de movimiento vibratorio de una rejilla de superficie (112) sobre la que descansa el combustible sólido para su combustión.
3. El sistema de la reivindicación 1 o 2, en el cual los segundos valores son de al menos una de las medidas de la presión de vapor en el sistema de distribución de vapor (130), la temperatura de vapor en el sistema de distribución de vapor (130) y el caudal de vapor en la salida de vapor (124).
4. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual la IHR estimada se obtiene con la ecuación:
Est. IHR = Fsleam K<X>dPdram/dt
donde Fsteam es el caudal de vapor en la salida de vapor (124) y dPdrum/dt es un diferencial de presión para el tambor de caldera (122).
5. Un método para regular un proceso de combustión basado en combustible sólido para un sistema generador de calor (100) que produce vapor equipado con:
- un conjunto de sensores (140);
- un dispositivo de ajuste del valor de consigna (208) dentro del sistema generador de calor;
- un sistema de distribución de vapor (130);
- una caldera (120) que comprende una salida de vapor (124) a través de la cual el vapor producido sale de un tambor de caldera (122), estando acoplada la caldera al sistema de distribución de vapor de modo que el vapor producido dentro de la caldera (120) es enviado hacia el sistema de distribución de vapor (130) a través de la salida de vapor (124); y
- un controlador de baja velocidad (202);
- estimar mediante un sensor virtual de IHR (204) un IHR del sistema generador de calor en base a primeros valores medidos por uno o más de los sensores (140), de al menos el caudal de vapor en la salida de vapor (124) y de la presión de vapor en el tambor de caldera (122);
- recepción por parte de un controlador de alta velocidad (206), desde el controlador de baja velocidad (202), de una demanda de velocidad de quemado actual basada en segundos valores medidos por uno o más de los sensores (140), de un nivel de energía del vapor en el sistema de distribución de vapor (130);
- recepción por parte del controlador de alta velocidad (206) de la IHR estimada desde el sensor virtual de IHR; - realizar una comparación de la demanda de velocidad de quemado actual recibida y la IHR estimada recibida; y - dar instrucciones al dispositivo de ajuste del valor de consigna (208) para que ajuste un flujo de aire por debajo del fuego dentro del sistema generador de calor basándose en la comparación.
6. El método de la reivindicación 5, que comprende además:
-dar instrucciones mediante el controlador de alta velocidad (206) al dispositivo de ajuste del valor de consigna (208) para que ajuste al menos uno de un flujo de aire por encima del fuego, un caudal del combustible sólido que se alimenta al sistema generador de calor, y una velocidad de movimiento vibratorio de una rejilla de superficie (112) sobre la que descansa el combustible sólido para su combustión.
7. El método de la reivindicación 5 o 6, en el cual los segundos valores son de al menos una de las medidas de la presión de vapor en el sistema de distribución de vapor (130), la temperatura de vapor en el sistema de distribución de vapor (130) y la velocidad del flujo de vapor en la salida de vapor (124).
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el cual la IHR estimada se obtiene con la ecuación:
Est.IHR=Fsteam+K<X>dPánm/dt
en donde F<steam>es el caudal de vapor en la salida de vapor (124) y dP<drum>/dt es un diferencial de presión para el tambor de caldera (122).
9. Un medio legible por ordenador que tiene almacenadas en el mismo instrucciones de programa que, tras su ejecución por una unidad de procesamiento, hacen que un sistema realice el método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8.
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