CASO REAL: SISTEMAS DE SUPERVISIÓN TERMODINÁMICOS

De cara a evaluar el rendimiento de una instalación y si su funcionamiento y operativa es eficiente energeticamente es necesario que la planta albergue un sistema de información que sea capaz de supervisar y registrar las magnitudes físicas más relevantes además de monitorizar el estado de los principales motores, válvulas y actuadores.

El principio o máxima de que solamente se puede mejorar aquello que se puede controlar, y que únicamente es controlable lo que previamente se ha podido medir( y añadiríamos en este caso registrar) asume una importancia vital en este tipo de proyectos que tienen como misión la adquisición, monitorización y almacenamiento de los principales datos con relevancia energética de la planta.

Dentro de estos datos con relevancia energética que hemos citado no solamente estamos hablando de aquellos que pueden ser captados por sensores de temperatura y humedad, transductores de presión, medidores de nivel,caudalímetros, potenciómetros, transformadores de intensidad sino también de los parámetros de control de la planta( controladores PI,PID o diversos lazos de control) que regulan la capacidad de los equipos y de las consignas, tiempos y mandos de funcionamiento.

Proponemos y consideramos que un sistema integral de supervisión energética que pretenda evaluar rendimientos y calcular eficiencias no ha de limitarse a medir y registrar señales de campo o parámetros y consignas de control, como lo puede realizar un SCADA convencional con más o menos funcionalidades, sino que ha de ser capaz también de calcular en tiempo real variables termodinámicas que nos permitan representar los fenómenos térmicos presentes en la planta, como entalpías, entropías, caudales másicos y volumétricos…

Todas estas variables termodinámicas servirán para poder caracterizar energéticamente la planta y así poder analizar en profundidad el ciclo termodinámico en tiempo real, base fundamental para posteriormente poder conducir la planta eficientemente.

El software de supervisión energética debe ser capaz de representar el ciclo de Mollier o ciclo P-H de refrigeración.

En la figura se puede apreciar una aplicación real desarrollada para una planta de refrigeración industrial, como fase primera de un proyecto de optimización integral de su parte frigorífica, responsable de una parte importante del consumo eléctrico de la instalación.

Mediante la medición de una serie de sondas en campo( presiones de aspiración y descarga, temperaturas de descarga, capacidad mecánica, revoluciones por minuto del motor…) y una vez parametrizado adecuadamente el equipo tanto a carga total como a carga parcial ( tanto variando la capacidad mecánica como las revoluciones por minuto del motor) la aplicación calculaba una serie de outputs que permitieron posteriormente adaptar el control de la instalación a escenarios más óptimos energeticamente manteniendo la capacidad y los ratios productivos.

Entre los outputs calculados se obtuvieron:

  • Entalpías(KJ/kg) y Entropías(KJ/KgK) en las diferentes zonas del diagrama de Mollier
  • Densidad(kg/m3) y volumen específico(m3/kg) del refrigerante
  • Temperaturas de aspiración y condensación (ºC) en saturación así como recalentadas y subenfriadas
  • Las eficiencia volumétricas e isentrópicas del compresor
  • El flujo volumétrico aspirado y descargado por el compresor(m3/hora)
  • Caudal másico del compresor(kg/s)
  • Calidad del refrigerante después de la válvula de expansión
  • Temperatura de descarga en caso de compresión reversible y adiabática (ºC)
  • Temperatura de descarga en caso de compresión irreversible y adiabática (ºC):
  • Aumento de entropía en el proceso del compresión(KJ/kg.K):
  • Producción frigorífica(kw):
  • Potencia teórica a consumir por el compresor (kw):
  • COP real( contrastando con la potencia eléctrica medida) y teórica( contrastando con potencia teórica a consumir):
  • COP Carnot
  • Potencia a disipar en condensadores (kw):

Una vez contrastado el modelo que predecía el consumo de los compresores con las medidas obtenidas a través de analizadores de calidad eléctrica se llegó a la conclusión de que las diferencias entre el modelo teórico y las mediciones efectuadas eran menores del 5%.

Adjuntamos comparativa entre la potencia teórica calculada y la registrada para dos compresores de la marca Mycom N200 y N250  usados en la instalación.

Estos modelos, integrados con un sistema de adquisición de datos completo de la planta, permitieron supervisar energéticamente la planta y sacarle el máximo rendimiento energético, no solamente y cómo se hace habitualmente midiendo los consumos y determinados parámetros eléctricos( potencia reactiva, factor de potencia, armónicos…)sino también prediciendo la potencia consumida y la capacidad frigorífica instántanea de los equipos.

Además, la aplicación, mediante una serie de sensores de temperatura y humedad integrados en la aplicación e instalados en la cubierta de la nave donde se ubicaban los condensadores evaporativos, incluía un módulo software  que calculaba en tiempo real todos los parámetros psicométricos relevantes del aire húmedo exterior, tal como se aprecia en la figura

Cabe señalar que los resultados obtenidos mediante la aplicación posteriormente eran utilizados por el control de condensación optimizado que se instaló para conseguir que el sistema frigorífico consumiera lo mínimo posible atendiendo a las condiciones productivas y climatológicas presentes.

El sistema de control de tipo experto por PC que interaccionando con los autómatas  posteriormente se implantó en la instalación intercambiando datos con el sistema de supervisión  termodinámico obtuvo ahorros medios del 20% en la instalación , mejorando un sistema que ya de por sí estaba totalmente automatizado y monitorizado y que contaba con variadores de frecuencia en varios compresores y  ventiladores.

Estos sistemas combinan mediciones y cálculos complejos en tiempo real, todo con el fin de ser el mejor soporte para conducir  inteligentemente las plantas y optimizar el control de éstas mediante un sistema de gestión y control dinámico que emule a un experto humano en el proceso a optimizar.

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