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SEMANA DE LA ECOEFICIENCIA DE EUSKADI 2012

EUSKADIKO EKOERAGINKOTASUNAREN ASTEA 2012

Optimización energética

en hornos de fusión de

hierro INDUCTOTHERM -

URBINA

30 de Mayo de 2012



1. Objetivo

2. Modo de trabajo actual

3. Optimización propuesta

4. Otras posibilidades



Objeto del estudio: Hornos eléctricos de fusión por inducción de marca INDUCTOTHERM

Potencia: 8.500 kW

Funcionamiento en tándem, mientras uno está colando el otro está fundiendo

Fusión de hierro a alta temperatura, 1500°C

Sistema de control propietario

1 – Objetivo



Curva de temperatura en una fusión

El objetivo del proyecto consiste en la mejora energética en los hornos de fusión de hierro por inducción mediante la captación y el análisis de datos para aplicación en tiempo real de las recomendaciones que minimicen su consumo eléctrico, respetando el tiempo de fusión por tonelada

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20

°C

hh:mm

1 – Objetivo



Actualmente, la Potencia contratada por URBINA es de 9.000kW y el consumo máximo cuarto-horario de 8.000kW

Dadas estas condiciones, se respeta siempre la demanda de energía de todas las máquinas de la planta y es únicamente en los hornos de inducción donde se limita el suministro en caso de ser necesario.

Por otra parte, el sistema de control de los hornos realiza un reparto automático de los 8.500kW disponibles entre los dos hornos con el objetivo de mantener la temperatura del horno que está colando.

2 – Modo de trabajo actual



0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0:35:00 0:40:00 0:45:00 0:50:00 0:55:00 1:00:00 1:05:00

kW

Pot aplicada

En un modelo de contratación eléctrica con tarifa cuarto-horaria, el superar el consumo contratado supone una penalización importante en la tarifa eléctrica.

Para evitarlo, se dispone de un limitadores de puntas que actúa en “escalón” a medida que avanza el tiempo del cuarto de hora. Se observa en esos casos que en los primeros minutos se aplican potencias cercanas al máximo nominal del horno mientras que en los finales las potencias caen a valores muy bajos.

Curva Potencia aplicada en una fusión tipo




Los modos de funcionamiento en los que se pueden encontrar los hornos son los siguientes:

Modo 0: Horno apagado

Modo 1: Horno en automático

Modo 4: Horno en manual

Las curvas de carga de los hornos trabajando en tándem son del siguiente estilo:

Curvas de carga de los dos hornos

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

kg

Carga Horno 1

Carga




A lo largo de un ciclo de fusión se pueden observar dos fases diferenciadas,

Una primera fase en la que al haber poca carga en el horno no existe suficiente núcleo para que físicamente se pueda aplicar toda la potencia disponible

Una segunda fase en la que al haberse fundido bastante material, la carga en el horno es suficiente para aplicar toda la potencia disponible

Carga, Potencia y Temperatura a lo largo de una fusión

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05

°C

kW

Carga Q(t)

Pot (t)

Temp (t)




Potencia vs Voltaje




Carga vs Frecuencia




Carga vs Temperatura




Carga vs Eficiencia




Se puede comprobar de los datos proporcionados por el horno que la EFICIENCIA viene definida como:

𝐸𝑓𝑓 % = 100 𝑥 (1 − 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝐸𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 )

Se establece por tanto la EFICIENCIA como un indicador a maximizar a la hora de llevar a cabo algún tipo de optimización del proceso




Objetivo: evitar altibajos en las curvas de potencia

Estrategia: potencia menor aplicada de forma más estable. Conseguir el mismo calentamiento del metal en el mismo tiempo de una forma más eficiente.

Para ello, se generan Modelos del Proceso que tienen en cuenta en cada instante para el que se debe aplicar una recomendación:

• La Temperatura en el horno

• La Carga en el horno

• El Incremento de Carga en los últimos 2 minutos

• El Incremento de Temperatura a conseguir en los siguientes 2 minutos

dicho ΔT es el que se consigue actualmente en cada situación de planta, de forma que se siga un ritmo de calentamiento similar al actual pero con potencias más estables.

3 – Optimización propuesta



Los modelos así generados proporcionan las curvas de Eficiencia del horno para diferentes valores de potencia en función del resto de variables del proceso, Carga, Temperatura, Incremento de Carga…




Curvas de Eficiencia vs Carga. A medida que la carga del horno aumenta se observa que la eficiencia disminuye




Se generan asimismo predicciones de ∆Temp en 2 minutos para cada situación de Carga, Temperatura y Potencia media a aplicar




Y proporcionan la recomendación de la Potencia a aplicar para conseguir dicho incremento de temperatura de forma más eficiente

0

1000

2000

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4000

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6000

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10000

0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0:35:00 0:40:00 0:45:00 0:50:00 0:55:00 1:00:00 1:05:00

kW

Pot aplicada

Rec Limit.Potencia




Conectividad al sistema

Sistema de control del horno mediante placa integrada de INDUCTOTHERM, sin acceso de datos a través de PLC

Conexión mediante red Ethernet a equipo de control del horno y acceso en Tiempo Real a la B.D. de Access del horno (Meltminder.mdb)

Aplicación de las recomendaciones de Potencia a través de la entrada analógica del limitador de puntas. Para ello se combinará la recomendación con la información del PLC de limitación actual




Pruebas ON-LINE

Para llevar a cabo unas pruebas on-line del modelo de proceso propuesto para la optimización se estableció la conexión en tiempo real con la B.D. del equipo de control del horno y se realizaron lecturas de datos cada 30 segundos.

La forma de aplicación de la limitación de Potencia propuesta por el modelo se realizó en esta fase mediante el potenciómetro de control proporcionado por la aplicación de Inductotherm

3000

4000

5000

6000

7000

8000

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

kW

Potencia vs Salida potenciómetro




Resultados de las pruebas

Las curvas obtenidas en el Horno 1 son las siguientes:

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0:0

0

0:0

5

0:1

0

0:1

5

0:2

0

0:2

5

0:3

0

0:3

5

0:4

0

0:4

5

0:5

0

0:5

5

1:0

0

1:0

5

1:1

0

1:1

5

1:2

0

1:2

5

1:3

0

1:3

5

1:4

0

°C

kW

Carga H1

Potencia H1

Temperatura H1

Consignas de temp. alcanzadas

Potencia limitada a 0kW por el operario

Carga, Potencia y Temperatura




Resultados de las pruebas

Curva de Eficiencia del Horno1

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0:0

0

0:0

5

0:1

0

0:1

5

0:2

0

0:2

5

0:3

0

0:3

5

0:4

0

0:4

5

0:5

0

0:5

5

1:0

0

1:0

5

1:1

0

1:1

5

1:2

0

1:2

5

1:3

0

1:3

5

1:4

0

Potencia limitada a 0kW por el operario

Eficiencia media durante el periodo de recomendaciones = 83%




4 – Otras posibilidades

OPTIMIZACIÓN por predicción de tiempo de paso de modo espera a modo calentamiento

La idea sería determinar en qué momento (instante de tiempo) se debe pasar al modo 1 de forma que se minimice el tiempo de mantenimiento del material a 1.500°C sin retrasar el comienzo de la colada en los moldes

Para ello, se obtendría de datos del ERP la hora a la que tiene que estar preparado el horno 2 a 1.500°C considerando:

- Carga actual y Carga final del horno 1

- Peso de la pieza/as a colar en horno 1 (referencias plan producción)

- Tiempo de colada de la pieza/as en horno 1 (referencias plan producción)

- Nº piezas a colar en horno 1

- Combinado con la generación de un modelo para el horno 2 capaz de predecir el tiempo de colada a partir de unas determinadas condiciones iniciales y finales a conseguir como, Carga inic, Carga fin, Temp. inic, Temp. fin, Potencia disponible…

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