Sistema de monitoreo de índices de consumo en la unidad # 4 de la CTE "10 DE OCTUBRE"

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(1)UNIVERSIDAD DE CAMAGÜEY FACULTAD DE ELECTROMECÁNICA. SISTEMA DE MONITOREO DE ÍNDICES DE CONSUMO EN LA UNIDAD # 4 DE LA CTE "10 DE OCTUBRE". Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Eficiencia Energética. AUTORA: Ing. Osmina Albo Cabreriza TUTOR: Dr. Luis Corrales Barrios. OCTUBRE 2011.

(2) UNIVERSIDAD DE CAMAGÜEY FACULTAD DE ELECTROMECÁNICA. SISTEMA DE MONITOREO DE ÍNDICES DE CONSUMO EN LA UNIDAD # 4 DE LA CTE "10 DE OCTUBRE". Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Eficiencia Energética. AUTORA: Ing. Osmina Albo Cabreriza TUTOR: Dr. Luis Corrales Barrios. OCTUBRE 2011.

(3) Pensamiento “ Educar es depositar en cada hombre toda la obra humana que le ha antecedido: es hacer a cada hombre resumen del mundo viviente, hasta el día en que vive: es ponerlo al nivel de su tiempo, para que flote sobre él, y no dejarlo debajo de su tiempo, con lo que no podrá salir a flote; es preparar al hombre para la vida.” José Martí.

(4) Dedicatoria. A mi mamá y mis suegros que han sido siempre otros padres para mí. A mis hijos y esposo por su comprensión en todo momento. A la memoria de mi padre..

(5) Agradecimientos Quiero agradecer especialmente la realización de esta tesis a mi mamá y a mis suegros, por el esfuerzo, la comprensión y los ánimos que me han dado. A mis hijos, por el entendimiento y la paciencia en la espera de nuestro cariño y a mi esposo por estar siempre a mi lado y brindarme su ayuda a lo largo de la misma con tanto amor. A mi tutor Luis Corrales Barrios por su atención y ayuda durante todo este tiempo. A Fernando por su apoyo incondicional en el desarrollo del trabajo. A Alexis y Osvaldo por la ayuda brindada en todo momento. A mis compañeros de trabajo que de una forma u otra me han ayudado, en especial a Maylen que siempre me brindó su ayuda cuando la necesité..

(6) ÍNDICE RESUMEN INTRODUCCIÓN …………………………………………………………............ 1. CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO …………………………………………....... 6. 1.1. Evolución histórica de la automatización industrial…………………...….... 6. 1.1.1. Estado actual de la tecnología de Sistemas de Automatización y Control en la CTE “10 de Octubre” ……………………………….... 8. 1.2. Protocolos de comunicación……………………………...……………….... 9. 1.3. Caracterización de sobreconsumos y alternativas de mejora en la gestión energética empresarial…………………………………………..……….... 12. CAPÍTULO 2. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA COMPUTACIONAL... 17. 2.1. Metodología utilizada …………………………………...…………………. 17. 2.1.1. Normativa de diseño de consumo específico bruto y neto de combustible ………………………………………………………….. 19. 2.1.2. Normativa de diseño de la presión de vapor de admisión a la entrada del cilindro de alta presión de la turbina ……………..…………….... 20. 2.1.3. Normativa de diseño de la temperatura de vapor de admisión a la entrada del cilindro de alta presión de la turbina……………............... 21. 2.1.4. Normativa de diseño de la temperatura de vapor recalentado a la entrada del cilindro de media presión de la turbina……………....…... 21. 2.1.5. Normativa de diseño de la temperatura de agua de alimentar a la salida de los calentadores de alta presión…………………………….. 22. 2.1.6. Normativa de diseño de la temperatura de gases de salida……...……. 23. 2.1.7. Normativa de diseño del exceso de aire de la caldera…………...….... 24. 2.1.8. Normativa de diseño del vacío en el condensador…...……………….. 25. 2.1.9. Normativa de diseño del flujo de agua de reposición al condensador…………………………………………………………... 26. 2.1.10. Normativa de diseño del factor de insumo eléctrico………...…...…. 27. 2.2. Selección de los protocolos de comunicación y las herramientas de desarrollo……………………………………………………………………..….. 28.

(7) 2.2.1. Visión general del Exaquantum………………………...…………….. 30. 2.3. Selección de variables y confección de bases de datos ………………...…... 31. 2.4. Descripción del sistema implementado……………………...…………….... 33. 2.4.1. Ventanas principales…………...……………………………………... 33. 2.4.2. Ventanas de tendencias……………...…………………………….….. 38. 2.4.3. Sistema de reportes………………………………………………...…. 44. 2.4.4. Módulo de adquisición y réplica de datos…………………………….. 46. CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS …………….……...…...…. 48. CONCLUSIONES ………………………………………………………….…...…. 55. RECOMENDACIONES …………………………………………………………... 56. BIBLIOGRAFÍA ………………………………………………………………....... 57. ANEXOS.

(8) Resumen. RESUMEN El presente trabajo está enfocado a la gestión de la eficiencia energética y a las principales oportunidades de ahorro en la Unidad # 4 de la Central Termoeléctrica “10 de Octubre”. Para la confección del mismo se realizaron búsquedas bibliográficas encaminadas a conocer y caracterizar las posibles causas que provocan sobreconsumos en un proceso de producción de energía eléctrica, así como la búsqueda de vías de comunicación con el sistema de supervisión y control CENTUM CS3000 instalado en la unidad para obtener los datos del proceso y aprovechar esta información en busca de alternativas de mejora en la gestión energética empresarial, con la finalidad de reducir el consumo de combustible y electricidad. Finalmente se desarrolló un sistema que permite monitorear los índices de consumo de combustible y electricidad que se registran en el proceso productivo, tanto en tiempo real como a partir de datos históricos, el cual ha permitido tomar acciones encaminadas a disminuir los mismos. Como parte de la mejora del sistema de monitoreo se incluye un conjunto de reportes en EXCEL que permite conocer el comportamiento de los índices de consumo de combustible y electricidad, así como el Consumo Específico Bruto de la unidad en cualquier hora del día y consolidar los resultados para cada turno de trabajo..

(9) Summary. SUMMARY The present work is focused to the administration of the energy efficiency and the main saving opportunities in the Unit # 4 of the “10 de Octubre” thermoelectric power station. For the making of the same were carried out bibliographical searches guided to know and to characterize the possible causes that provoke. overconsumptions in the process of. electric power production, as well as the search of communication roads with the “CENTUM CS3000” supervision and control system installed in the unit to obtain the process’s data and to take advantage of this information in searching of improvement’s alternative in the energy managerial administration, with the purpose of reduce the consumption of fuel and electricity. Finally a system was developed that allows to monitor the indexes of consumption of fuel and electricity that are registered in the productive process, as much in real time as starting from historical data, which has allowed to take actions guided to diminish the same ones. As part of the improvement of the monitoring system a group of reports is included in EXCEL that allows to know the behavior of the indexes of consumption of fuel and electricity, as well as the Specific Gross Consumption of the unit in any hour of the day and to consolidate the results for each work’s shift..

(10) Introducción. INTRODUCCIÓN A medida que ha pasado el tiempo, el hombre ha ido dependiendo cada vez más de los recursos energéticos para la satisfacción de necesidades como: iluminación, calefacción, refrigeración, transporte, etcétera. El desarrollo industrial de nuestro país después del triunfo de la Revolución Cubana exigió el incremento de las capacidades de generación de electricidad para satisfacer estas necesidades. El triunfo de la Revolución cambió totalmente el panorama socio - económico del país, y con ello se inició otra etapa en el desarrollo de la producción de energía, se expanden las industrias por todo el territorio, crece la producción industrial y también la población. Todo este vertiginoso proceso de cambios es acompañado de un elevado crecimiento en la rama energética. Como consecuencia de la política de desarrollo de generación de electricidad en nuestro país se construyó la Central Termoeléctrica “10 de Octubre”, ubicada en la ciudad de Nuevitas, provincia de Camagüey. La misma pertenece a la Unión Nacional Eléctrica, que a su vez forma parte del Ministerio de la Industria Básica (MINBAS) y por su capacidad instalada, su ubicación geográfica y su elevada eficiencia y disponibilidad, constituye uno de los pilares fundamentales del Sistema Electroenergético Nacional. Cuenta con una capacidad actual instalada de 435 MW, distribuida en un bloque de 60 MW (Unidad # 3) y tres bloques de 125 MW (Unidades 4, 5 y 6). La construcción de la central se inició a mediados de 1966 por personal de la Empresa Constructora de Obras de Ingeniería, con asesoramiento y tecnología checoslovaca y el 30 de Enero de 1969 se sincronizó al Sistema Electroenergético Nacional su primera unidad, que debió ponerse en marcha el 10 de Octubre de 1968, de ahí su nombre, y que por atraso de algunos suministros, no fue posible. Su construcción concluyó el 10 de Octubre de 1988 con la puesta en marcha de la sexta y última unidad, todos sus equipos proceden de la antigua Checoslovaquia. En Octubre de 1994 se desactivó la Unidad # 1, por su mal estado técnico y la carencia de recursos para su reconstrucción y en Agosto del 2002 ocurrió lo mismo con la Unidad # 2 por las mismas causas. En la figura 1 se muestra una vista aérea de la central termoeléctrica.. 1.

(11) Introducción. Unidad # 4. Figura 1. Vista aérea de la Central Termoeléctrica “10 de Octubre”. Fuente: Google Earth, se señala la Unidad # 4. Ahorrar energía es una necesidad económica y significa hacer de ella un uso racional; en especial, cuando su generación se produce mediante la quema de combustibles fósiles. El ahorro de energía ha llegado a convertirse en una práctica universal adoptada en muchos países del mundo por las potencialidades que brinda; en esto han influido los vaivenes del mercado en las últimas décadas. En la actualidad el ahorro se considera, realmente y en sí mismo, como una gran reserva de energía; esto no significa retornar al pasado cuando los. 2.

(12) Introducción. índices de consumo eran muy bajos, ni renunciar a las comodidades de la vida moderna, ni reducir los niveles de iluminación de las casas, hospitales, escuelas, fábricas, etcétera. Eficiencia energética, uso racional de la energía, uso eficiente de la energía, etcétera, son frases muy frecuentes encontradas dentro de las políticas que aplican casi todos los países, muy especialmente impulsadas cuando se presentan etapas o períodos de crisis, ya sea por efecto de precios elevados o por falta de oferta. Para el análisis energético de cualquier instalación el primer paso es contar con las mediciones que describan el comportamiento del proceso tecnológico, pero el alto costo de los equipos e instrumentos es una limitación, especialmente en los países subdesarrollados a la hora de realizar este. Una posible solución a este problema es reemplazar equipos convencionales por computadoras, instrumentos virtuales y sistemas de adquisición de datos, que permitan hacer adquisición, procesamiento y control de señales físicas en tiempo real a costos menores. Los Sistemas de Control Industrial constituyen un tema novedoso y en desarrollo actual en la rama especializada mundial del control automático, tanto para fabricantes de tecnologías, diseñadores de la ingeniería de sus aplicaciones, como para las organizaciones profesionales que se orientan en el planteamiento de su normativa y regulación. A nivel mundial se habla de las dos variantes por las que se puede controlar integralmente un proceso productivo, estas son: los sistemas de control distribuidos DCS o las redes de SCADA; la Central Termoeléctrica “10 de Octubre” no está exenta de esto. Las Unidades 5 y 6 fueron modernizadas entre los años 1999 y 2000 y poseen el sistema de monitoreo y control CENTUM CS1000 conectado con autómatas YOKOGAWA desde el cual los operadores monitorean y controlan el proceso productivo. La Unidad # 4 fue modernizada recientemente y se incorporó nuevamente al Sistema Electroenergético Nacional en el mes de julio del 2010, en la misma se instaló como sistema de monitoreo y control el CENTUM CS3000 conectado también con autómatas YOKOGAWA. A pesar de que los procesos de las unidades de generación están automatizados y se cuenta con sistemas informatizados en las mismas, existían desviaciones en los parámetros operacionales de las unidades de generación que no podían ser detectadas en el momento en que ocurrían, provocando sobreconsumos de combustible, electricidad e ineficiencia en las unidades.. 3.

(13) Introducción. En el presente trabajo se dispone de un sistema en tiempo real que brinde al personal técnico y de operación la información necesaria para conocer los sobreconsumos de combustible y electricidad asociados al proceso productivo de la Unidad # 4 en el mismo momento en que estos ocurren para de esta forma poder incidir sobre ellos de forma inmediata. Permite además realizar el análisis a partir de datos históricos almacenados previamente. Claro está que existen otras cuestiones que pudieran influir en cuanto a lograr mejoras en los índices de consumo en las unidades analizando otros tipos de sobreconsumos pero teniendo en cuenta la magnitud del problema a tratar se considera que estos pueden ser debidamente estudiados en otros trabajos encaminados a lograr la disminución de consumos en centrales termoeléctricas. Por todo lo anterior planteado los aspectos fundamentales del diseño metodológico que nos ocupan son: Problema El personal técnico y de operaciones de la Central Termoeléctrica “10 de Octubre” no cuenta con las herramientas necesarias para conocer los consumos de combustible y electricidad que se registran en el proceso productivo de la Unidad # 4 en el momento en que estos ocurren y por consiguiente no se puede actuar de forma rápida para disminuir los mismos. Objeto de estudio Proceso productivo de la Unidad # 4 de la Central Termoeléctrica “10 de Octubre” de la ciudad de Nuevitas provincia de Camagüey. Se determina como campo de acción los consumos de combustible y electricidad asociados al proceso productivo. Objetivo general Confeccionar y poner en funcionamiento un sistema de monitoreo de índices de consumo de combustible y electricidad que se registran en el proceso productivo de la Unidad # 4 de la CTE “10 de Octubre”. Objetivos específicos: 1- Realizar el estudio bibliográfico sobre el tema. 2- Caracterizar los consumos atendiendo a los tipos de portadores energéticos seleccionados.. 4.

(14) Introducción. 3- Realizar el análisis para incorporar la información necesaria al personal técnico y de operaciones. 4- Elaborar el software para la determinación y análisis de los consumos seleccionados. 5- Realizar análisis de resultados. Hipótesis Con la instauración de un sistema de información operacional que permita monitorear los índices de consumo de combustible y electricidad que se registran en el proceso productivo, tanto en tiempo real como a partir de datos históricos, se logrará tomar acciones encaminadas a disminuir los mismos. Tareas de investigación: 1. Revisión bibliográfica sobre el tema bajo estudio. 2. Estudio de las formas de obtención de los datos del proceso en tiempo real. 3. Caracterización y análisis de los sobreconsumos. 4. Selección de las variables que intervienen en los consumos seleccionados de la Unidad # 4. 5. Elaboración de software de adquisición, procesamiento de las variables seleccionadas y obtención de resultados finales. 6. Análisis de los resultados. 7. Escritura del informe. Este trabajo está estructurado para su organización en: resumen, introducción, desarrollo (3 capítulos), conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos. En el Capítulo 1 se desarrolla el marco teórico a partir de la revisión bibliográfica basada fundamentalmente en la evolución histórica de la tecnología, los métodos de obtención de datos de proceso y las posibles causas que provocan sobreconsumos en un proceso de producción de energía eléctrica. En el Capítulo 2 se presenta la metodología utilizada para la obtención de los sobreconsumos de combustible y electricidad registrados en el proceso productivo; así como la descripción del sistema computacional implementado para monitorear y analizar los mismos. En el Capítulo 3 se realiza un análisis de los resultados obtenidos con la utilización del sistema.. 5.

(15) Capítulo 1: Marco Teórico. CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO En el presente capítulo se hace una breve descripción acerca de la evolución de la automatización industrial y de cómo la misma está presente en la CTE “10 de Octubre”. Se analizan los diferentes protocolos de comunicación que se utilizan para obtener datos de procesos. Además, se realiza una caracterización de las posibles causas que provocan sobreconsumos en un proceso de producción de energía eléctrica, así como alternativas de mejora en la gestión energética empresarial. 1.1. Evolución histórica de la automatización industrial. Desde el comienzo de la industrialización, el hombre ha buscado las formas y procedimientos para que los trabajos se realizaran de forma más ágil y resultaran menos tediosos para el propio operador. Íntimamente relacionado con este proceso tiene sus orígenes la automatización que se remonta a los años de la revolución industrial; la misma surge por la necesidad de encontrar herramientas que ayuden a eliminar tareas repetitivas en la operación de diferentes procesos [11]. En su comienzo, y hasta los años 50, se utilizaban elementos mecánicos y electromagnéticos (relés, contadores, temporizadores, etcétera) para llevar acabo las decisiones de control. Ya en los años cincuenta del siglo anterior, comienzan a utilizarse los semiconductores y por tanto se reduce el número de averías por desgaste de componentes, aunque existía el problema de la falta de flexibilidad ya que el sistema sólo servía para una aplicación específica y no era reutilizable. A finales de los años 60, la industria estaba demandando cada vez más un sistema de control económico, robusto, flexible, fácilmente modificable y que se pudiera reutilizar y programar. Debido a esto, en 1968, nacieron los primeros controladores lógicos programables, o también conocidos como “autómatas programables”, los cuales fueron realmente una herramienta de ingeniería que sustituye a los controles convencionales que eran por relés electromecánicos. Estos surgen a partir de las especificaciones planteadas por Ford y General Motors, que debe cumplir un controlador electrónico programable, para ser realmente útil en la industria. Paralelamente Bedford Associates desarrolla un prototipo de. 6.

(16) Capítulo 1: Marco Teórico. controlador industrial que puede ser considerado el primer PLC de la historia. Este fue denominado como Controlador Digital Modular (MODICON, MOdular DIgital CONtroller) y fue desarrollado para una empresa automotriz. El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente y respondía en ese momento a las características que reclamaba la industria. Aunque era reutilizable, este proceso era muy costoso ya que su memoria era cableada [5]. En los años 70, aparece el microprocesador y los primeros ordenadores digitales, se empezaron a eliminar las memorias cableadas implementando otras con semiconductores, lo que aumenta la flexibilidad. Los PLCs incorporan el microprocesador y por consiguiente tienen más prestaciones tales como: elementos de comunicación hombre – máquina con mayores posibilidades, manipulación de datos, cálculos matemáticos, funciones de comunicación y poseen más flexibilidad para la programación, ya que desaparecen las memorias cableadas. A finales de los años 70 se amplia la capacidad de memoria, aparecen más posibilidades de entradas / salidas remotas, analógicas y numéricas, funciones de control de posicionamiento, aparición de lenguajes con mayor número de instrucciones más potentes y, desarrollo de las comunicaciones con periféricos y ordenadores. Los microprocesadores convencionales aportaron la potencia necesaria para resolver de forma rápida y completa la lógica de los pequeños PLC's. El PLC, podía ahora dialogar con otros PLC's y en conjunto; podían estar aislados de las máquinas que controlaban; también podían enviar y recibir señales de tensión variables, entrando en el mundo analógico [9]. Junto con esto aparecen los primeros Sistemas de Control Distribuidos (DCS), los cuales manejaban señales de entradas análogas y lazos de control, constituyendo esto una parte importante en la automatización. En la década de los 80 continúan incorporándose mejoras en las prestaciones, estas se refieren a: velocidad de respuesta, reducción de las dimensiones, mayor concentración de número de entradas / salidas en los módulos respectivos, desarrollo de módulos de control continuo, técnicas de control más complejas (PID, control inteligente, lógica difusa). Hasta la década de los 80, las arquitecturas típicas en cuanto a la automatización fueron PLC y DCS, pero en la década de los 90 y con la evolución tecnológica existente surgieron los sistemas de control integrados, con los cuales en una sola plataforma se maneja todo el. 7.

(17) Capítulo 1: Marco Teórico. control (análogo y digital), esto dio como resultado que los costos para automatizar un proceso bajaran considerablemente, además de que cada vez los equipos (hardware y software), son mas baratos y mas amigables para su implementación. Los sistemas distribuidos introdujeron diversas ventajas respecto a los sistemas previos, eran conceptualmente más sencillos, y por tanto más fáciles de diseñar, mantener, subcontratar y modificar. También mejoraron la tolerancia a fallos de las aplicaciones así como su rendimiento global. La sustitución de los antiguos sistemas centralizados por nuevos sistemas distribuidos, introdujo cambios considerables. Por un lado, fueron apareciendo dispositivos de control de mejores prestaciones con mayores posibilidades de comunicación. Estos nuevos dispositivos estaban optimizados para resolver los problemas que aparecían en los entornos industriales. Además, eran reprogramables, de mantenimiento sencillo, y relativamente baratos, reduciendo el precio global de los sistemas de control [9]. Por otro lado, también se introdujeron mejoras en las interfases de usuario utilizadas por los operadores. Los sistemas distribuidos permitían utilizar nuevos dispositivos dedicados a las aplicaciones de supervisión. Así, se liberaba a los dispositivos de control de las tareas de presentación de los datos de proceso, permitiendo el uso de interfases gráficas potentes que facilitaban el aprendizaje de las aplicaciones a los operadores de planta. En esta línea aparecieron los sistemas SCADA (del inglés Supervisory Control And Data Acquisition) actuales que se ejecutan sobre ordenadores de control de producción [25]. Además, en el nuevo paradigma, las comunicaciones empezaron a desempeñar un papel fundamental en los entornos industriales ya que permitían el intercambio de información entre dispositivos de control inteligentes que debían trabajar de forma coordinada. Actualmente el concepto de automatización de procesos no solo es el considerar que la maquina ó la línea productiva trabaje en automático, además es de vital importancia el tener información de lo que ocurre en tiempo real, esto es: reportes de operación, fallas, control de calidad, etcétera, para así identificar los puntos críticos que ocasionan desviaciones y corregirlos para asegurar la eficiencia del proceso. 1.1.1. Estado actual de la tecnología de Sistemas de Automatización y Control en la CTE “10 de Octubre”. 8.

(18) Capítulo 1: Marco Teórico. En las Unidades de generación 5 y 6 de la CTE “10 de Octubre”, la medición, supervisión y control se realiza utilizando el sistema CENTUM CS1000 y en la Unidad # 4 el CENTUM CS3000, ambos corresponden a la séptima generación del sistema CENTUM creado por la corporación Yokogawa. Constantemente. Yokogawa. procura. satisfacer. las. necesidades. de. los. clientes. proporcionando una elevada confianza con las mejoras en las series CENTUM basadas en tecnología de punta [21]. El Vicepresidente de Automatización Industrial de Yokogawa, afirma “El CENTUM ha sido diseñado para potenciar las decisiones de operación en tiempo real en las plantas industriales, y para ello hemos mejorado de manera significativa la eficacia en la información, mejorando la seguridad y rapidez de la producción de planta” [30]. El CENTUM posee una interfaz gráfica amigable al operador, mostrando mediante mímicos con señalizaciones, la información necesaria para el control de la unidad generadora. Posee además una interfaz abierta, es decir, tiene dos servidores de datos, un servidor OPC (del inglés OLE for Process Control) y un servidor DDE (del inglés Dynamic Data Exchange), con los que los usuarios pueden obtener y brindar datos al sistema mediante programas de usuarios, situados tanto en la misma computadora de operación y monitoreo del proceso como en otras computadoras conectadas a esta a través de una red. Después de haber analizado la bibliografía referente a los temas antes mencionados podemos concluir que en el CENTUM se redefine el papel a realizar por un sistema de control de producción. Al mismo tiempo que es capaz de realizar las funciones tradicionales de los DCS, como son la monitorización y control de las plantas industriales, consiguiendo un entorno operacional uniforme y eficaz. 1.2.. Protocolos de comunicación.. En el desarrollo de software, los drivers son la parte de más bajo nivel, pero a pesar de esto son una de las partes de mayor importancia. Si los drivers son usados y escritos apropiadamente, el usuario se beneficiará de la legibilidad, rehúso de código y velocidad de aplicación. Los drivers son diseñados para permitir al programador un acceso directo a un. 9.

(19) Capítulo 1: Marco Teórico. instrumento, proceso o control. El propósito fundamental de un driver es abstraer al programador del código de bajo nivel. Este permite configurar un instrumento para desarrollar una tarea sin tener que conocer los comandos del instrumento o como el instrumento se comunica [4]. Tradicionalmente, los fabricantes de software para acceso de datos de proceso tenían que desarrollar drivers específicos para cada tipo de hardware al que querían acceder. Cada software requería un driver distinto para cada hardware, implicando un esfuerzo enorme. Es decir, el problema surgía cuando la instrumentación y el software SCADA no pertenecían al mismo fabricante y por lo tanto podían tener problemas de comunicación. Para solucionar este problema surge el concepto de sistemas de control abiertos, y por tanto los protocolos y estándares de comunicación entre aplicaciones. Tal es el caso del DDE, este es un protocolo de intercambio de datos de Microsoft para aplicaciones Windows. El intercambio de datos dinámico (DDE) permite enviar / recibir datos e instrucciones hacia / desde una a otra aplicación. Esto implementa una relación cliente - servidor entre dos aplicaciones en ejecución al mismo tiempo. El uso del servidor proporciona los datos y acepta peticiones de cualquier otra aplicación interesada en sus datos. Las aplicaciones que solicitan se llaman clientes. Algunas aplicaciones tales como Microsoft Excel pueden simultáneamente ser cliente y servidor [3]. El protocolo DDE está basado en el sistema de mensajería construido por Windows. Así, dos programas de aplicación bajo Windows realizan una "conversación DDE" enviándose mensajes entre ellos. Existen pocas nuevas aplicaciones usando DDE debido a las limitadas capacidades del mismo. Con el desarrollo de las tecnologías OLE y ActiveX, el DDE ha quedado un poco en desventaja. Otro de los métodos de comunicación entre aplicaciones es el OLE, sus siglas provienen del inglés Object Linking and Embedding, lo que traducido al español sería enlace e inclusión de objetos. Es una especificación de Microsoft creada para trabajar en Windows haciendo posible la integración de objetos entre aplicaciones, lo que permite crear documentos con entidades provenientes de distintas aplicaciones. Los objetos pueden ser casi cualquier tipo de información, incluyendo texto, imágenes de mapa de puntos, gráficos vectoriales e incluso anotaciones de sonido y vídeo.. 10.

(20) Capítulo 1: Marco Teórico. A través de OLE es posible que los programas se comuniquen entre sí e intercambien información sin pérdida de detalle, independientemente de su origen. Pero el proceso no se produce de forma automática, de modo que es preciso conocer su funcionamiento para poder aprovechar sus posibilidades. OLE fue introducido en 1991 como una extensión del protocolo DDE, que fue creado para pasar datos entre aplicaciones, y en especial, desde la hoja de cálculo Excel [3]. Haciendo uso de la tecnología ActiveX también se tiene acceso a datos, está es relativamente nueva y envuelve algunas otras tecnologías, particularmente OLE y COM. Los controles ActiveX fueron inicialmente conocidos como controles OLE o controles OCX. Un control ActiveX es un componente que puede ser insertado en una página Web o en una aplicación y permite usar la funcionalidad de este objeto programada ya por alguien, es esta precisamente la mayor ventaja de estos controles [4]. Otros de los protocolos de comunicación utilizados es el estándar OPC. Pudiendo a través de él, utilizar el hardware y el software más conveniente en cada caso sin tener en cuenta el fabricante. OPC permite a las diferentes aplicaciones leer y escribir valores de proceso y que estos datos sean compartidos fácilmente en una red de ordenadores. El estándar, gobernado por la Fundación OPC, es de dominio público y de acceso libre, lo cual facilita a los usuarios finales la integración de distintos sistemas y plataformas. El OPC, es una especificación técnica no propietaria definida por la Entidad OPC Foundation y consiste básicamente en un Sistema de Interfases Estándar basado en OLE / COM y DCOM de Microsoft. Con OPC es posible ínteroperar dispositivos industriales con sistemas de información o aplicativos de escritorio [27]. En otras palabras, el OPC permite desarrollar de una manera muy práctica y eficiente aplicaciones que pretendan comunicarse con equipos industriales controlados por PLC’s. Desde un punto de vista general muchos aspectos de OPC son similares al DDE, pero la diferencia principal está en la puesta en práctica usando la tecnología de COM de Microsoft (modelo componente del objeto). A grandes rasgos, una aplicación OPC funciona basada en una arquitectura de servidores y clientes OPC. Cada cliente, es decir, cada aplicación de usuario (SCADA, módulo de históricos, software de modelación del proceso, etcétera) interroga al servidor que contiene los datos específicos en el momento que los necesita y éste le responde, según el caso y la aplicación [29].. 11.

(21) Capítulo 1: Marco Teórico. Cabe decir que las especificaciones OPC definen 3 tipos de servidores: . Acceso a datos en línea: define interfases para la lectura y escritura de datos en el sistema de control.. . Control de alarmas y eventos: permite mantener vigilancia sobre posibles condiciones anormales en el sistema, ya que provee mecanismos que notifican la ocurrencia de acontecimientos y de condiciones de alarmas específicas.. . Acceso a datos históricos: mantiene una base de datos sobre un servidor OPC que permite la lectura, procesamiento y corrección de datos históricos con un eficiente motor de acceso.. Tomando en consideración el criterio de varios autores, después de estudiar las posibilidades que ofrece el protocolo OPC y considerando las ventajas que ya se han mencionado anteriormente, se decide utilizar este protocolo como vía de comunicación para la obtención de datos del proceso, aprovechando además que el sistema CENTUM CS3000 posee una interfaz abierta que permite establecer esta comunicación. 1.3. Caracterización de sobreconsumos y alternativas de mejora en la gestión energética empresarial. Se entiende por sobreconsumo, el gasto de portadores energéticos que por exceso supera los valores que establecen las normativas para el tipo y las características del evento objeto de análisis. Los sobreconsumos se clasifican en correspondencia con diversos criterios [12], en la figura 1.1 se muestra un esquema que resume estas clasificaciones. La clasificación de sobreconsumos directos e inducidos se establecen exclusivamente para las operaciones tecnológicas del proceso de generación de electricidad. Los sobreconsumos directos son los que se producen por causas internas del mismo consumidor donde se registra el sobreconsumo y entre las causas que lo identifican se encuentran: I) Las deficiencias tecnológicas del equipamiento, donde se registran sobreconsumos por ineficiencia tecnológica de la turbina; por ineficiencia tecnológica de la caldera; por deficiente combustión; por deficiente aislamiento térmico.. 12.

(22) Capítulo 1: Marco Teórico. II) La desviación de parámetros de control de eficiencia, donde se registran sobreconsumos por baja presión de vapor de admisión; por baja temperatura de vapor de admisión; por baja temperatura de vapor recalentado; por bajo vacío en el condensador; por diferencia térmica terminal; por baja temperatura de agua alimentar; por exceso de aire en caldera; por alta temperatura gases de salida caldera y por exceso de agua de reposición (salideros). Los sobreconsumos inducidos son los que se producen por la necesidad de operar bloques generadores menos eficientes, para complementar el déficit que produce la incapacidad parcial o total de los bloques más eficientes para generar a su capacidad instalada. Se procesa solamente para los bloques generadores, en su operación integrada en el Sistema Electroenergético Nacional. Clasificación de los sobreconsumos: 1. De acuerdo al tipo de portador energético: a) Sobreconsumo de Combustible ligero b) Sobreconsumo de Combustible pesado c) Sobreconsumo de Electricidad d) Sobreconsumo de Lubricante (diesel) e) Sobreconsumo de Agua 2. De acuerdo al Elemento Causante o Inductor: a) Sobreconsumos inducidos: Por causas internas Por causas externas b) Sobreconsumos directos: Por desviación de parámetros de control de eficiencia Por deficiencias tecnológicas del equipamiento 3. De acuerdo a las Causas que lo provocan: a) Internas b) Externas Figura 1.1. Clasificación de sobreconsumos.. 13.

(23) Capítulo 1: Marco Teórico. En este trabajo se realiza el estudio de los sobreconsumos por desviación de parámetros de control de eficiencia y sobreconsumos de electricidad. Se trata por tanto, de un concepto susceptible de mejora que redunda en un ahorro energético. En la bibliografía analizada se plantea siempre la importancia de saber dónde, cómo y qué parte del consumo de recursos puede ser ahorrado. En [24] y [18] se hace referencia al documento Ahorro y eficiencia energética, elaborado por el Departamento de Industria Básica del Comité Central del Partido en Noviembre de 2001 y en ambos casos se destacan varios de los aspectos fundamentales que se abordan en el mismo, donde señalan insuficiencias en la gestión energética empresarial como los principales problemas que afectan la eficiencia energética y el ahorro en el país. Dentro de los señalamientos se destacan el insuficiente análisis de los índices de eficiencia energética, el desconocimiento de la incidencia de cada portador energético en el consumo total, la falta de identificación de índices físicos y su ordenamiento por prioridad, la falta de identificación de los trabajadores que más inciden en el ahorro y la eficiencia energética, la insuficiente divulgación de las mejores experiencias, las insuficiencias en los sistemas de información estadística y la falta de apreciación de la eficiencia energética como una fuente de energía importante. En [1] se catalogan las etapas para la aplicación de ahorro energético como: compromisos, recolección de datos, diagnóstico energético, formación del personal, planificación del presupuesto para inversiones, realización de proyectos y seguimiento, control y evaluación. La tecnología de Gestión Total Eficiente de la Energía (TGTEE), conformada por un paquete de procedimientos, herramientas técnico-organizativas y software especializado que aplicado de forma continua y con la filosofía de la gestión total de la calidad, también propone establecer nuevos hábitos de dirección, control, diagnóstico y uso de la energía, dirigidos al aprovechamiento de todas las oportunidades de ahorro, conservación y reducción de los costos energéticos en una empresa. Lo más importante para lograr la eficiencia energética en la empresa, no es sólo que existan medidas de ahorro de energía, sino contar con un sistema de gestión energética que involucre a todos, que eleve cada vez más la capacidad de los trabajadores y directivos para generar y alcanzar nuevas metas en este campo, que desarrolle nuevos hábitos de. 14.

(24) Capítulo 1: Marco Teórico. producción y consumos en función de la eficiencia, que consolide hábitos de control y autocontrol, y en general, que integre las acciones al proceso productivo. Aunque el incremento del consumo de combustible de una central termoeléctrica con relación a una referencia puede cuantificarse a partir de las medidas, esto no basta para inferir las causas que lo han originado. Un buen diagnóstico de la operación debe ser precedido por un desarrollo conceptual que explique el origen de dicho incremento [23]. Las primeras causas, a excepción de lo que puedan suponer los efectos de las condiciones ambientales o la programación defectuosa de los sistemas de control, son el mal funcionamiento de los equipos de proceso. Por ello para realizar el diagnóstico de la central es necesario definir parámetros de referencia de los equipos, que pudiendo ser calculados a partir de las medidas, caractericen su mal función. Se habla de que las técnicas de reconciliación de datos han permitido disponer de un diagnóstico más fiable de la operación. De este modo puede encontrase, incluso en tiempo real, las causas correctas del consumo adicional de combustible de la central. El diagnóstico de los sistemas energéticos forma parte de las estrategias de mantenimiento correctivo, este consiste en descubrir e interpretar los signos de un mal funcionamiento en los equipos y cuantificar sus efectos en términos de consumo adicional de recursos. Una vez que se conoce, a través del diagnóstico, el mal comportamiento de ciertos equipos y su efecto individualizado sobre el consumo adicional de recursos del sistema con relación a una referencia, cabe aprovechar esta información para mejorar la operación tomando las acciones correctivas pertinentes. El sistema implementado incorpora el método de diagnóstico, basado en el cálculo de normativas de sobreconsumo de combustible, a partir de la metodología establecida para la central térmica de estudio. La supervisión de procesos se encarga de observar continuamente las variables del proceso en busca de la detección de anormalidades que puedan representar un problema operativo o de calidad. A esta se le destinan subtareas como la detección y diagnóstico de fallos y el análisis de procesos [20]. Dependiendo del horizonte de tiempo con el que se trabaja, la supervisión se puede aplicar a 2 niveles: 1.- A corto plazo: En este nivel las variables del proceso se observan continuamente. La meta es detectar cualquier desviación con respecto al estado normal del proceso y reaccionar lo más rápidamente para asegurar la operación normal de la planta. El. 15.

(25) Capítulo 1: Marco Teórico. término monitorización se utiliza para referirse a este nivel, con énfasis en la detección e identificación de fallos. 2.- A largo plazo: En este nivel se analiza el comportamiento del proceso a largo plazo, a través de los datos históricos. La meta es identificar causas de bajo rendimiento y oportunidades de mejora. Los términos análisis del proceso o mejora del proceso se utilizan para designar este tipo de supervisión. El proceso productivo supervisado en tiempo real permite diagnosticar las causas de las variaciones en las condiciones de operación. Estas se garantizan mediante la regulación de un conjunto de variables dentro de las cifras normativas que establece el fabricante, y que periódicamente se verifican y se actualizan por las entidades competentes. Después de analizar la bibliografía y tomando en consideración los diversos criterios donde se aprecia la importancia de realizar la supervisión de procesos en las industrias se decide utilizar esta metodología para realizar este trabajo, la cual se describe en el siguiente capítulo.. 16.

(26) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. CAPÍTULO 2. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA COMPUTACIONAL En este capítulo se presenta la metodología de cálculo utilizada para la obtención de índices de consumo de combustible y electricidad registrados en el proceso productivo y para la obtención de sobreconsumos de estos portadores energéticos a partir de la comparación de valores normativos de operación, que se calculan utilizando la “Metodología para análisis de sobreconsumos” del Manual de Índice de la UNE, y estados reales de operación que se obtienen a partir de las lecturas en tiempo real de las variables del proceso que intervienen en los mismos, las cuales se detallan en el anexo 1. Además, se realiza una descripción del sistema computacional implementado donde haciendo uso de esta metodología permite monitorear y analizar estos índices de consumo. 2.1. Metodología utilizada Con posterioridad a la elaboración e implantación de la metodología de cálculo de los sobreconsumos que está contenida en el capítulo XIX de la “Norma de Instrucción y Directrices Metodológicas para los Consumos Específicos de Combustible en las Centrales Termoeléctricas”, se han incorporado tres nuevos factores que pudieran condicionar su aplicación y que han sido objeto de estudio en [12], estos son el alto grado de deterioro del equipamiento tecnológico, el cambio de combustible utilizado; de una calidad distinta a la de diseño y las modificaciones introducidas en los esquemas tecnológicos y procedimientos de operación del equipamiento. Todo lo expresado anteriormente condiciona la necesidad de utilizar la metodología que se propone, donde se modifican las normativas de diseño y en consecuencia las normativas de consumo asociadas, teniendo en cuenta los nuevos factores que inciden en el cálculo de las mismas. Los coeficientes específicos para el cálculo de los sobreconsumos por desviación de los parámetros de control de eficiencia se determinan sobre la base de pruebas funcionales especiales y el balance general de energía en el proceso. Estas pruebas se contratan por la Central Termoeléctrica a empresas especializadas que estén autorizadas al efecto.. 17.

(27) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. En el caso en que la diferencia entre el sobreconsumo total porcentual calculado y la suma de todos los sobreconsumos porcentuales asociados a la desviación de cada uno de los parámetros de control de eficiencia, sea mayor del 10 %, se determina si existe alguna causa de sobreconsumo no considerada en el análisis inicial, se rectifica el cálculo considerando el particular; de no existir causa que justifique la divergencia en los resultados obtenidos, se requiere la actualización extraordinaria de los coeficientes referidos. Para desarrollar la metodología se realiza una selección de las variables que caracterizan el sistema considerando que sus desviaciones respecto a los parámetros nominales de operación afectan negativamente los índices de consumo, estas se mencionan a continuación: a) Pvv: Presión de vapor sobrecalentado a la entrada del cilindro de alta presión de turbina, denotada en la industria por presión de vapor vivo, expresada en [MPa]. b) Tvv: Temperatura de vapor sobrecalentado a la entrada del cilindro de alta presión de turbina, denotada por temperatura de vapor vivo, expresada en [ºC]. c) Tvr: Temperatura de vapor recalentado a la entrada del cilindro de media presión de turbina, denotada por temperatura del vapor recalentado, expresada en [ºC]. d) Taa: Temperatura del agua de alimentar a la salida de los calentadores de alta presión, indicada por temperatura del agua de alimentar, expresada en [ºC]. e) Tg: Temperatura de gases de salida de caldera, indicada por temperatura de gases, expresada en [ºC]. f) Pe: Presión en el condensador, indicada por vacío en el condensador, expresada en [kPa]. g) Coeficiente de exceso de aire en la caldera, indicada por exceso de aire, expresado en [%]. h) Far: Flujo de agua de reposición al condensador, indicada por flujo de agua de reposición, expresada en [t/h]. i) Insumos Eléctricos: Consumos de electricidad registrados por los equipos que mayor influencia tienen en el proceso de producción de energía.. 18.

(28) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. 2.1.1. Normativa de diseño de consumo específico bruto y neto de combustible. La normativa de diseño se incrementa en un 0.59 % por incremento de la temperatura de los gases de salida en 12 oC y 0.20 % por incremento del exceso de aire en 0.05 %. Por tal motivo se actualiza la normativa de diseño y se definen las ecuaciones (2.1) y (2.2) que permiten calcular el consumo específico bruto y neto de combustible normativo respectivamente para las nuevas condiciones de trabajo.. CEB  216.854  n. 3954.83 N p. Figura 2.1. Normativa de diseño de consumo específico bruto de combustible.. 3954 .83   CEB  1.0079   216.854   , expresado en g/kWh n GBruta  . (2.1). 19.

(29) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. CEN. n. . CComb. n  1000 , expresado en g/kWh GNeta n. (2.2). Se definen las ecuaciones (2.3) y (2.4) que permiten calcular los consumos específicos bruto y neto de combustible real respectivamente a partir de la obtención de los datos del proceso en tiempo real. CEB  r. CComb. real GBruta.  10 3. , expresado en g/kWh.  10 3 real , expresado en g/kWh CEN  r GBruta  IBloque  CComb. (2.3). (2.4). A partir de los resultados obtenidos en la ecuaciones (2.1) y (2.3) se calcula la desviación del consumo específico bruto (ΔCEB) y el sobreconsumo de combustible asociado a la desviación de estos parámetros (SCCEB y SC*CEB) como: CEB  SCCEB  CEBr  CEBn , expresado en g/kWh. SC * CEB  SCCEB  GBruta 10 3 , expresado en t-eq A partir de los resultados obtenidos en la ecuaciones (2.2) y (2.4) se calcula la desviación del consumo específico neto (ΔCEN) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCCEN y SC*CEN) como: CEN  SCCEN  CEN r  CEN n , expresado en g/kWh. SC * CEN  SCCEN  (GBruta  IBloque) 10 3 , expresado en t-eq 2.1.2. Normativa de diseño de la presión de vapor de admisión a la entrada del cilindro de alta presión de la turbina.. La normativa de diseño se ratifica considerando que las modificaciones introducidas en el bloque no afectan este parámetro, por tanto: Pvvn = 13.32 MPa. 20.

(30) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. A partir de la presión de vapor de admisión normativa (Pvvn) y la real (Pvvr) obtenida de las lecturas de los datos del proceso en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔPvv) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCDPPvv y SC*Pvv) como: Pvv  Pvvn  Pvvr , expresado en MPa SC * Pvv  10 2  kPvv  CCombreal  Pvv , expresado en t-eq SC DP Pvv . SC * Pvv 10 3 , expresado en g/kWh GBruta. Donde kPvv = 0.1 es un coeficiente de corrección. 2.1.3. Normativa de diseño de la temperatura de vapor de admisión a la entrada del cilindro de alta presión de la turbina.. La normativa de diseño se ratifica considerando que las modificaciones introducidas en el bloque no afectan este parámetro, por tanto: Tvvn = 520 ºC A partir de la temperatura de vapor de admisión normativa (Tvvn) y la real (Tvvr) obtenida de las lecturas de los datos del proceso en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔTvv) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCDPTvv y SC*Tvv) como: Tvv  Tvvn  Tvvr , expresado en ºC SC *Tvv  10 2  kTvv  CCombreal  Tvv , expresado en t-eq SC *Tvv 10 3 , expresado en g/kWh SC Tvv  GBruta DP. Donde kTvv = 0.035 es un coeficiente de corrección. 2.1.4. Normativa de diseño de la temperatura de vapor recalentado a la entrada del cilindro de media presión de la turbina.. 21.

(31) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. La normativa de diseño se ratifica considerando que las modificaciones introducidas en el bloque no afectan este parámetro, por tanto: Tvr = 520 ºC A partir de la temperatura de vapor de admisión normativa (Tvrn) y la real (Tvrr) obtenida de las lecturas de los datos del proceso en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔTvr) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCDPTvr y SC*Tvr) como: Tvr  Tvrn  Tvrr , expresado en ºC SC *Tvr  10 2  kTvr  CCombreal  Tvr , expresado en t-eq SC DP Tvr . SC *Tvr 10 3 , expresado en g/kWh GBruta. Donde kTvv = 0.02 es un coeficiente de corrección. 2.1.5. Normativa de diseño de la temperatura de agua de alimentar a la salida de los calentadores de alta presión.. Taa n  0.002907  GBruta 2  0.094171  GBruta  206.342857. Figura 2.2. Normativa de diseño de la temperatura de agua de alimentar.. 22.

(32) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. La normativa de diseño se ratifica considerando que las modificaciones introducidas en el bloque no afectan este parámetro, por tanto: Taa n  0.002907  GBruta 2  0.094171 GBruta  206.342857 ,. expresado en ºC. (2.5). A partir de los resultados obtenidos en la ecuación (2.5) y la temperatura de agua de alimentar real (Taar) obtenida de las lecturas de los datos del proceso en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔTaa) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCDPTaa y SC*Taa) como: Taa  Taan  Taa r , expresado en ºC SC *Taa  10 2  kTaa  CCombreal  Taa , expresado en t-eq SC *Taa 10 3 , expresado en g/kWh SC Taa  GBruta DP. Donde kTaa = 0.022 es un coeficiente de corrección. 2.1.6. Normativa de diseño de la temperatura de gases de salida.. Tg n  0.0015  GBruta 2  0.6215  GBruta  93.029. Figura 2.3. Normativa de diseño de la temperatura de gases de salida. La normativa de diseño según se plantea se incrementa en 12 ºC debido a la utilización de un combustible con una calidad diferente a la de diseño. Por tal motivo se actualiza la. 23.

(33) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. normativa de diseño y se define la ecuación (2.6) que permite calcular la temperatura de gases normativa para las nuevas condiciones de trabajo. Tg n  105.375 + 0.333  GBruta , expresado en ºC. (2.6). A partir de los resultados obtenidos en la ecuación (2.6) y la temperatura de gases de salida real (Tgr) obtenida de las lecturas de los datos del proceso en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔTg) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCDPTg y SC*Tg) como: Tg  Tg r  Tg n , expresado en ºC SC *Tg . Combreal  q' 2.  Bruta. , expresado en t-eq. Donde: q ' 2 . q 2  Tg , expresado en % 10. Δq2 = ± 0.44 es un coeficiente de corrección, expresado en %, asociado al incremento de las pérdidas de calor debido a los gases de escape (variación de Tg ± 10ºC), respecto al valor normativo. Se define la ecuación (2.7) donde se plantea el cálculo correspondiente a la Eficiencia Bruta de la Caldera..  Bruta  0.0001  GBruta 2  0.0224  GBruta  87.769 , expresada en % SC Tg  DP. SC *Tg 10 3 GBruta. (2.7). , expresado en g/kWh. 2.1.7. Normativa de diseño del exceso de aire de la caldera. Para GBruta  100 MW , Hn  0.0016  GBruta  1.21 Para GBruta  100 MW ,  Hn  1.05%. Figura 2.4. Normativa de diseño de exceso de aire en el horno.. 24.

(34) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. La normativa de diseño se incrementa en 0.05 % debido a la utilización de un combustible con una calidad diferente a la de diseño. Por tal motivo se actualiza la normativa de diseño y se define la ecuación (2.8) que permite calcular el coeficiente de exceso de aire para las nuevas condiciones de trabajo. Para GBruta  100MW ,  Hn  0.0016  GBruta  1.26 Para GBruta  100MW ,  Hn  1.1. , expresado en %. (2.8). A partir de los resultados obtenidos en la ecuación (2.8) y el coeficiente de exceso de aire real (H r) obtenido de las lecturas de los datos del proceso en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔH) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCDPH y SC*H) como:  H   Hr   Hn , expresado en % SC * H . Combreal  q' 2.  Bruta. , expresado en t-eq. Donde:. q ' 2 . q 2   H , expresado en % 0.1. Δq2 = ± 0.36 es un coeficiente de corrección, expresado en %, asociado al incremento de las pérdidas de calor debido al cambio del coeficiente de exceso de aire. La Eficiencia Bruta de la caldera se calcula como se muestra en la ecuación (2.7). SC DP H . SC * H 10 3 , expresado en g/kWh GBruta. 2.1.8. Normativa de diseño del vacío en el condensador.. Se actualiza la normativa de diseño y se propone el cálculo de la presión de escape del condensador normativa (Pen) que se calcula en varias etapas, a partir de los datos siguientes: Ppr - Presión del paso regulación de la turbina, se obtiene de las lecturas del sistema en tiempo real, expresada en MPa Tam1 - Temperatura de agua de mar de entrada del condensador, se obtiene de las lecturas del sistema en tiempo real, expresada en ºC. 25.

(35) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. I). Con la presión del paso de regulación de la turbina (Ppr) se calcula el flujo de vapor a la entrada del condensador (Go), expresado en t/h.. II). Con el flujo de vapor a la entrada del condensador (Go) y la temperatura de agua de mar a la entrada (Tam1) se calcula la diferencia térmica terminal. Dtn . 55.642  Go  1892.3162 3115.05  Tam1 . III) Con la temperatura de agua de mar a la entrada del condensador se calcula el factor Xtn. X tn . 15.916  163.0459  Tam1  3115.05  Tam1 . IV) Con el factor Xtn, la diferencia térmica Terminal (Dtn) y la temperatura de agua de mar a la entrada del condensador se calcula la temperatura de saturación Tsn, expresada en o. C..  e X tn    Dtn  Tam1 Tsn   X tn  e 1. V). Con la Temperatura de saturación (Tsn) se calcula la presión de saturación, expresada en ata.. VI) Con la presión de saturación (Ps) se calcula el vacío normativo (Vacion), expresado en mmHg. VII) Con el resultado obtenido del vacío en el condensador normativo (Vacion) y el real (Vacior) que se obtiene de las lecturas de los datos del proceso en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔVacio), expresada en (ata) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCDPVacio y SC*Vacio) como: Vacio  Vacion  Vacior , expresado en ata SC *Vacio  CCombreal  Vacio , expresado en t-eq SC DPVacio . SC *Vacio 103 , expresado en g/kWh GBruta. 2.1.9. Normativa de diseño del flujo de agua de reposición al condensador.. 26.

(36) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. La normativa de diseño se actualiza con la modernización de la unidad, donde se cambiaron los quemadores de atomización mecánica por quemadores de atomización por vapor, además se adiciona un calentador de petróleo, lo que conlleva a un mayor consumo de vapor y por consiguiente un aumento del flujo de agua de reposición. Farn= 26 t/h A partir del flujo de agua de reposición normativo (Farn) y el real (Farr) que se obtiene de las lecturas de los datos del proceso en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔFar) y el sobreconsumo de combustible a él asociado (SCDPFar y SC*Far) como: Far  Farr  Farn , expresado en t/h SC * Far  10 3    Far , expresado en t-eq SC. DP. SC * Far 10 3 , expresado en g/kWh Far  GBruta. Donde = 42 kg/t es un coeficiente que corresponde al consumo de combustible requerido para compensar la pérdida de 1 tonelada de condensado, vapor ó agua de alimentar. 2.1.10. Normativa de diseño del factor de insumo eléctrico.. La ecuación (2.9) define la normativa de diseño de insumo eléctrico. FI n  3.095 . 420 , expresado en % GBruta. (2.9). La normativa de diseño se incrementa en 5.6 % debido a un incremento de la climatización, equipos de 380 V y sistema de combustible. Por tal motivo se actualiza la normativa de diseño y se define la ecuación (2.10) que permite calcular el factor de insumo eléctrico normativo del bloque para las nuevas condiciones de trabajo. Se define además las ecuaciones (2.11, 2.12, 2.13, 2.14, 2.15 y 2.16) que permiten calcular el insumo eléctrico normativo, expresado en kWh, para los equipos que tienen mayor incidencia en el insumo total del bloque. 420   FI n  1.056   3.095   , factor de insumo eléctrico, expresado en %. GBruta  . (2.10). Iba n  1758.66972  11.71991  GBruta , insumo bomba de alimentar.. (2.11). 27.

(37) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. Ibcin  979.615246  0.00450255  GBruta , insumo bomba de circulación.. (2.12). Ibcon  240.438048  1.83524694  GBruta , insumo bomba de condensado.. (2.13). Iben  234.511947  0.0332184  GBruta , insumo bomba de enfriamiento.. (2.14). Ivtf n  803.928787  10.7514947  GBruta , insumo ventilador tiro forzado (VTF). (2.15) Ivrg n  530.755579  3.1462268  GBruta , insumo ventilador recirculador de gases (2.16) Se define la ecuación (2.17) que permite calcular el factor de insumo eléctrico real a partir de la obtención de los datos del proceso en tiempo real.. FI r . IBloque  100 , expresado en % GBruta. (2.17). Donde GBruta e IBloque corresponden a la generación y el insumo del bloque respectivamente. A partir de los resultados obtenidos en la ecuaciones (2.10) y (2.17) se calcula la desviación del factor de insumo (ΔFI) y el sobreconsumo de electricidad a él asociado (SCFI) como: FI  FI r  FIn , expresado en %. SC FI . FI  GBruta , expresado en MWh 100. Se definen además las metodologías de cálculo para los sobreconsumos de electricidad asociados a los equipos que tienen mayor incidencia en el insumo total del bloque. A partir de los resultados obtenidos en la ecuaciones (2.11, 2.12, 2.13, 2.14, 2.15 y 2.16) y los insumos eléctricos reales de cada uno de los equipos que se obtienen en tiempo real se calcula la desviación de ese parámetro (ΔI) para cada uno de los equipos y el sobreconsumo de electricidad a él asociado (SCI) como: I  I r  I n , expresado en kWh 2.2. Selección de los protocolos de comunicación y las herramientas de desarrollo.. A nivel mundial, los sistemas de supervisión y control, utilizados para el monitoreo y control de procesos productivos, brindan información que puede ser utilizada para la toma de decisiones estratégicas de cualquier entorno productivo, de ahí su importancia y la necesidad de contar con ellas.. 28.

(38) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. En el proceso de tratamiento de la información en los sistemas de supervisión y control, el primer eslabón es la adquisición de los datos. Estos provienen de disímiles equipos que pueden ser autómatas, reguladores autónomos, sensores inteligentes, controladores, etcétera. A medida que se han desarrollados estos sistemas, se ha incrementado aún más la conectividad y la necesidad de la adquisición de datos más allá del hardware, donde surge la necesidad de insertar a la recolección, fuentes de datos constituidas por software, como pueden ser otros sistemas de control, sistemas de bases de datos, etc. En la actualidad, la inserción del estándar OPC en los sistemas de control ha sido muy aplicada en el mundo, por lo que los SCADAs en su mayoría lo aplican. Cuba no está exenta de esto y posee muchos sistemas con el estándar OPC. El estándar OPC, es muy utilizado en el campo de la automatización, la Fundación OPC cuenta con más de 300 miembros de todo el mundo. Basado en las tecnologías y estándares fundamentales del mercado informático la Fundación OPC adapta y crea especificaciones que satisfacen las necesidades especificas de las industrias. OPC continuará creando nuevos estándares como necesidades arriben y adaptará los estándares existentes a la nueva tecnología utilizada [28]. Después de analizar la bibliografía se decidió utilizar el estándar OPC para la integración del sistema CENTUM CS3000 de Yokogawa con las aplicaciones desarrolladas, como una plataforma que permite obviar la incompatibilidad y facilitar la comunicación de forma estándar. El análisis que se propone en el trabajo es de gran magnitud, involucrando numerosas variables y ecuaciones, cálculos de valores normativos de referencia, consulta de datos históricos, entre otros; de ahí la importancia de valorar la herramienta con la cual se desarrollaría el trabajo como una de las primera decisiones requeridas. Es por eso que fue necesario utilizar una herramienta con la cual se lograra satisfacer todas estas necesidades, que funcione en tiempo real sobre una base de datos existente y que presente una interfaz gráfica amigable al usuario. Entre los candidatos evaluados se tuvieron en cuenta Borland Delphi, LabVIEW, Microsoft Visual C++, Microsoft Visual Basic y Exaquantum. Después de analizar las posibilidades que brinda cada uno de ellos se decide utilizar dos de los mismos para desarrollar el sistema, ellos son:. 29.

(39) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. I) Microsoft Visual Basic por las posibilidades que posee para el trabajo con bases de datos, aspecto este que es de gran utilidad y que se aprovechó para la confección de un módulo adicional de adquisición de datos y réplica hacia los servidores de la Unión Eléctrica. II) El Exaquamtun, ya que este es un poderoso sistema de gestión de información de planta con arquitectura cliente - servidor, que posee una base de datos propietaria en tiempo real de fácil configuración, y que brinda muchas posibilidades para la rápida comunicación con el CENTUM CS3000 ya que ambos comparten la misma plataforma de Yokogawa. 2.2.1. Visión general del Exaquantum.. Durante el proceso de modernización del sistema automático en la Unidad 4 de la Central Termoeléctrica “10 de Octubre” realizado por la empresa eslovaca Energocontrol, se decidió adquirir a través de esa misma empresa el software Exaquantum de la empresa Yokogawa, este utiliza el estándar OPC como vía de comunicación con el sistema CENTUM CS3000. Para desarrollar este trabajo se decidió realizar la configuración del sistema Exaquantum y utilizar las prestaciones que el mismo brinda. El Exaquamtun es un sistema de gestión de información de planta (del inglés PIMS: Plant Information Management System) combinado con una poderosa interfaz de usuario. En el anexo 2 se muestra un esquema general del funcionamiento del Exaquatum. El sistema Exaquantum está conformado por 4 componentes fundamentales, de los cuales (I y II) se han utilizando para desarrollar este trabajo, estos son: (I). Exaquantum/PIMS. (II). Exaquantum/Explorer. (III). Exaquatum/Web. (IV). Open Interfaces (Interfases abiertas para que terceras aplicaciones puedan acceder a los datos del Exaquantum). El Exaquantum tiene una arquitectura cliente-servidor, con Exaquantum/PIMS actuando como servidor y Exaquantum/Explorer como cliente, formando la interfaz de usuario. En el anexo 3 se muestra un esquema general de los componentes del sistema.. 30.

(40) Capítulo 2: Implementación del Sistema Computacional. Las principales funciones del Exaquantum/PIMS son recolectar, almacenar y procesar variables. Esta información puede ser accedida a través de las PC de los usuarios usando Exaquantum/Explorer y otras herramientas. El flujo de datos puede ser resumido de la siguiente forma: . Los datos del proceso en bruto son recolectados desde PCS, a través de servidores OPC, hacia el interior de una base de datos propietaria en tiempo real. Aquí los datos brutos pueden ser combinados en calculaciones en tiempo real para obtener como resultado datos de mayor valor de información.. . Los datos brutos y derivados son almacenados con el fin de que estos puedan ser accedidos después de un largo período de tiempo por las aplicaciones que manejan datos históricos (Business Historian).. . En adición al almacenamiento normal de datos, el Exaquantum / PIMS calcula valores de agregación. Este es un proceso de reducción de datos (valores calculados, mínimos, máximos, desviaciones estándar, suma total) con períodos definidos por el usuario.. . Los datos en tiempo real, los almacenados y valores de agregación están disponibles para los usuarios mediante el Exaquantum / Explorer, este software es capaz de presentar los datos en una amplia variedad de formatos.. . El servidor Exaquantum / PIMS es manipulado por eventos cuando un nuevo dato llega, cualquiera de las calculaciones que usen los valores de los nuevos datos son activadas y los datos almacenados son informados del evento ocurrido. Cualquiera de las aplicaciones de usuario (tales como Exquantum / Explorer) que tengan un interés en el nuevo dato registrado son informadas del cambio.. 2.3. Selección de variables y confección de bases de datos.. En el desarrollo del sistema, se tienen en cuenta las variables que lo caracterizan mencionadas anteriormente en el epígrafe 2.1 y otras variables que son obtenidas del sistema CENTUM CS3000 y que se utilizan para llegar a obtener los resultados finales, en el anexo 1 se relacionan todas estas variables. Una vez realizada la selección de las variables se desarrolla una base de datos en SQL Server 2008 a la cual se adicionan nuevos registros en la medida que se van leyendo los. 31.