optimización energética en un horno ghi discontinuo de ... · de gas de tratamiento térmico...

SEMANA DE LA ECOEFICIENCIA DE EUSKADI 2012

EUSKADIKO EKOERAGINKOTASUNAREN ASTEA 2012

Optimización energética en

un Horno GHI Discontinuo de

Tratamiento Térmico

Fundiciones del ESTANDA

30 de Mayo de 2012



1. Objetivo

2. Propuestas iniciales de optimización

• Tiempo de ciclo y secuencia quemadores

• Ajuste del exceso de aire

• Parámetros PID

• Ajuste de la presión

3. Optimización implementada y resultados

4. Próximos pasos



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°C

horas

Ejemplo de curva de tratamiento térmico, SA11-20

OBJETIVO PROPUESTAS OPTIMIZACIÓN PRÓXIMOS PASOS

El objetivo del proyecto consiste en la mejora energética en los hornos

de gas de tratamiento térmico mediante el análisis inteligente de sus

datos en tiempo real y la aplicación en cada momento de las

recomendaciones más adecuadas. Reducción del consumo de gas

natural respetando la receta de tratamiento térmico



Objeto del estudio: Horno de

tratamiento térmico modelo CTG-9000

de GUINEA Hermanos y

funcionamiento discontinuo. La carga

se introduce y se extrae del horno

mediante máquina de carga/descarga.

Potencia: 1.630 kW

Combustible: gas natural

Nº de quemadores: 5 todo o nada,

secuencia pulsatoria

Temperatura máx: 1.150 ºC

Sistema de control: PLC Omron

SYSMAC CJ




PROPUESTA 1: Tiempo de ciclo y secuencia quemadores

Descripción: El tiempo de encendido de cada quemador viene

determinado por la potencia requerida (salida PID Temperatura) en

un instante determinado y un tiempo de ciclo por defecto fijo en 75s a

lo largo del cual se deben repartir por igual los encendidos de los 5

quemadores.

Asimismo, la secuencia en la que se encienden los quemadores es

siempre fija; Q1 - Q2 - Q3 - Q4 - Q5




Propuesta: instalar dos sondas de temperatura en el lateral del

horno y otra en la chimenea para caracterizar la temperatura en el

horno. Experimentar sobre la secuencia de quemadores y tiempo

de ciclo:

1. Establecer un tiempo de ciclo dinámico en función de las

condiciones del proceso.

2. Modificar la pulsatoria secuencial para establecer un aporte

calorífico constante.

3. Modificar orden de encendido de los quemadores,

homogeneización.

4. Aumentar la frecuencia de actualización en los tiempos de

encendido de los quemadores, control fino de la potencia

requerida.




PROPUESTA 1: Tiempo de ciclo y secuencia quemadores




1.1 Tiempo de ciclo

Estrategia: modificar el valor de 75s hoy fijo siguiendo una

estrategia de experimentación para el aprendizaje, distinguiendo

dos zonas claramente diferenciadas de funcionamiento:

• Rampa: Crear un control más sensible aumentando la frecuencia

en el control PID.

• Mantenimientos: aumento y disminución de los tiempos de ciclo.

Comprobar que efecto tienen estos cambios sobre el consumo

del horno.

Experimentación a realizar con diferentes tiempos de ciclo de

quemadores (30, 45, 90, 60, 105 y 120s)




1.2 Aplicación de potencia calorífica constante

Modificación en el programa del PLC, mantener constante la

potencia calorífica aplicada a la cámara de combustión durante todo

el tiempo de ciclo.

Objetivo: aplicar la misma potencia requerida durante todo el

tiempo de ciclo manteniendo constante la ganancia de temperatura

en el horno.




1.3 Modificación orden de encendido de los quemadores

Modificación en el programa del PLC, hacer variable el orden de

encendido de los quemadores durante la ejecución,

experimentación y activación en un orden no predefinido.

Objetivo: búsqueda de la secuencia de quemadores mas eficiente

para homogeneizar la temperatura en el horno.




1.4 Actualización “t_on” de quemadores

Modificación en el programa del PLC, aumentar la frecuencia de

actualización en los tiempos de encendido de los quemadores en

función de la desviación de temperatura real respecto a la teórica.

Objetivo: control fino de la potencia requerida, minimizar las

desviaciones entre la temperatura teórica y real (mejorar el control en

el cambio de etapa).




PROPUESTA 2: Ajuste del exceso de aire en la combustión

Estado actual: A potencias bajas (zonas de mantenimiento) se

introduce un exceso de aire mediante apertura de un servo. Dicho

exceso no es proporcional y produce un enfriamiento del horno

Propuesta: ajuste proporcional del aporte de aire atendiendo al estado

del proceso y factores ambientales.

Objetivo: lograr la mezcla ideal, para que se produzca una combustión

óptima asegurando que se cumple la receta de tratamiento.

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%C

ierr

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erv

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Salida PID

Zona de exceso de aire




PROPUESTA 2: Ajuste del exceso de aire en la combustión

ID ELEMENTO CANTIDAD

1 Caudalímetro gas natural 1

2 Regulación de ratio mezcla -

3 Tarjetas PLC 1

4 Sensor O2 1

5 Sensor CO 1

6 Medidor Tª, Patrm y Hr 1




PROPUESTA 3: Parámetros PID

Con esta propuesta se pretende experimentar con los parámetros

Kp, Ki y Kd del PID.

Objetivo: lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el

mínimo tiempo los efectos de las perturbaciones. Se tiene que lograr

la mínima integral de error.

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6

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5

8:1

4

8:4

3

9:1

2

9:4

1

10

:10




PROPUESTA 4: Ajuste de la presión del horno

Estado actual: regulación mecánica mediante clapeta y

contrapesos. Continua oscilación de apertura/cierre por diferencia de

presiones.

Propuesta: automatizar el posicionamiento de la clapeta mediante la

instalación de un mecanismo de control de posición.

Objetivo: evitar pérdidas de calor por chimenea, descensos de

temperatura innecesarios




PROPUESTA 4: Ajuste de la presión del horno




OPTIMIZACIÓN IMPLEMENTADA

propuesta 1.1 - TIEMPO DE CICLO

ID ELEMENTO CANT.

1 Caudalímetro gas natural 1

2 Tarjetas PLC 1

3 Termopar Barcitronic tipo K 2

4 Termopar gases de escape 1

5 Medidor Tª, Patm y Hr 1




Instrumentación

- Instalación de un cuantómetro de gas CPT-01

- Instalación de dos sondas tipo K en los laterales del

horno, caña pirométrica de punta de acero

refractario 21,3ØX400mm con rosca 3/8” con

cabezal DIN-B

- Instalación de una sonda tipo S para los gases de

escape con vaina cerámica de 8ØX400 mm con

rosca de ½” con cabezal DIN-B

- Instalación de una Estación de lectura de Presión,

Temperatura y Humedad relativa con salida

analógica

- Instalación de dos tarjetas de entradas de PLC

OMRON CJ1W-AD04U y cableado de todas las

señales




Captura de datos en continuo

- Instalación de un servidor OPC de comunicación con el PLC y

comienzo de captación de datos

Experimentación

- Durante 8 horas con tiempo de ciclo variable

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6

7:5

2

Segu

nd

os

Tiempo hh:mm

T_ciclo (s)




Análisis del DataSet

- Minería de Datos tanto iniciales como de la experimentación

- Selección de las variables para generación del modelo del

proceso

- En la experimentación se observó que la latencia del horno

estimada es de 102s. Por ello se genera un modelo de proceso

capaz de predecir el consumo de gas en 2 minutos

- Se observan variaciones importantes en la salida del PID

0

5

10

15

20

25




Creación del modelo del proceso: A partir de los datos leídos del

proceso, tanto durante el funcionamiento normal como durante la

fase de experimentación con el tiempo de ciclo. Para la generación

del modelo se emplean la variables anteriormente indicadas e

incluidas en la nueva instrumentación

Conclusiones del modelo

En las zonas de tratamiento con mantenimiento de Temperatura

Para Temperaturas de mantenimiento bajas (<200ºC) se observa

que el consumo de gas se optimiza mediante el empleo de

tiempos de ciclo cortos.





En las zonas de tratamiento con mantenimiento de Temperatura

Para Temperaturas de mantenimiento medias o elevadas

(>200ºC aprox) los menores consumos se obtienen con tiempos

de ciclo superiores al establecido por defecto





En las zonas de tratamiento con rampas de calentamiento

Se observa que en general el empleo de tiempos de ciclo cortos

es más favorable para la reducción del consumo de gas del

horno.




Aspecto del Optimizador en funcionamiento




Resultados preliminares

Se ha analizado un periodo de 2 meses de funcionamiento.

• 4 semanas con la aplicación de optimización en marcha

• 4 semanas con un tiempo de ciclo fijo de 75s

Se comparado tratamientos con

• La misma curva de calentamiento

• Cargas similares

• Mismo punto de inicio y fin de captura de datos, es decir,

mismo tiempo de calentamiento

Se ha medido el consumo de gas total y se calculado el consumo

medio de cada tratamiento con/sin aplicación de optimización





Nº tratamientos

Consumo total

Consumo medio por tratamiento

Peso medio por tratamiento

Sin OPTIBAT®

6 1250,64 m3 208,44 m3 6761 kg

Con OPTIBAT®

4 799,69 m3 199,92 m3 6780 kg

Mejora 4,09%





Consumo medio de hornada tipo 273,20m3

Factor de corrección de m3 a Nm3 3,425

PCS medio 10,62kWh/Nm3

Consumo energético hornada tipo 9.940kWh

Tiempo tratamiento de hornada tipo 13h

Horas de tratamiento anuales 6.480h

Consumo energético anual 4.954MWh

Precio del GN 0,030€/kWh

Coste energético anual 148.642€

Mejora energética estimada 4,09%

Ahorro anual estimado 6.073€




propuesta 2: Ajuste del exceso de aire en la combustión

Estrategia: Debido a:

• La gran variabilidad instantánea de la salida del PID

• La falta de proporcionalidad del exceso de aire

Se está introduciendo más aire del necesario y con ello enfriando el

horno. Esto tiene como consecuencia un mayor consumo de gas.

La idea consiste en regular el exceso de aire sin emplear la salida

del PID. Con esa finalidad se generará un modelo del proceso que:

sea capaz de proponer el exceso de aire (%cierre del servo)

en función de la desviación de la Temperatura real en cada

instante respecto a la Tª de la receta

Y del resto de variables de estado del horno

PRÓXIMOS PASOS


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