ES2641872T3 - Sistema y procedimiento para control de caldera - Google Patents

Sistema y procedimiento para control de caldera Download PDF

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ES2641872T3 ES11866244.4T ES11866244T ES2641872T3 ES 2641872 T3 ES2641872 T3 ES 2641872T3 ES 11866244 T ES11866244 T ES 11866244T ES 2641872 T3 ES2641872 T3 ES 2641872T3
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Description

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DESCRIPCION
Sistema y procedimiento para control de caldera ANTECEDENTES DE LA INVENClON
Los aspectos de la invencion se dirigen a un sistema para el control de calderas.
Los controladores de calderas del estado de la tecnica actual estan disenados y ajustados para funcionar en o por encima de una cantidad dada de gas de escape 02. Esto se hace por razones de seguridad (monoxido de carbono, estabilidad de la llama), regulacion de emisiones y robustez operativa pero implica una penalizacion de eficiencia. Dado que el CO no se mide, se incorporan margenes conservadores en los sistemas de calderas para evitar que se violen las restricciones operativas. Estos margenes conservadores erosionan aun mas la eficiencia.
BREVE DESCRIPCION DE LA INVENClON
Se proporciona un sistema para el control de calderas. El sistema incluye unidades de suministro para proporcionar suministros de materiales de combustion para la combustion de los mismos, un recipiente acoplado a las unidades de suministro en que se queman los materiales de combustion, un sensor de monoxido de carbono (CO) dispuesto en una salida del recipiente para detectar una cantidad de CO de escape que sale del recipiente como producto de combustion en el mismo y una unidad de control. La unidad de control esta acoplada a las unidades de suministro y al sensor y configurada para emitir un servocomando principal y un servocomando de impulsos a una o mas de las unidades de suministro para controlar las operaciones de una o mas unidades de suministro de acuerdo con la cantidad detectada del CO de escape.
La emision del servocomando principal proporciona cantidades iniciales de los materiales de combustion para la combustion durante cantidades iniciales de tiempo. La emision del servocomando de impulsos aumenta la cantidad de materiales de combustion proporcionados para la combustion mas alla de las cantidades iniciales durante cortos periodos de tiempo que son mas cortos que las cantidades iniciales de tiempo.
Se proporciona un procedimiento de control de calderas. El procedimiento incluye emitir un servocomando principal a una o mas unidades de suministro acopladas a un recipiente para proporcionar cantidades iniciales de los materiales de combustion al recipiente para la combustion de los mismos dentro del recipiente durante cantidades iniciales de tiempo y emitir un servocomando de impulsos a la unidad o a mas unidades de suministro para aumentar la cantidad de los materiales de combustion proporcionados para la combustion de los mismos mas alla de las cantidades iniciales durante cortos periodos de tiempo que son mas cortos que las cantidades iniciales de tiempo. El procedimiento incluye ademas detectar una cantidad de monoxido de carbono (CO) producida por combustion en el interior del recipiente y controlar la emision de los servocomandos principal y de impulsos de acuerdo con al menos la cantidad detectada del CO.
El documento US 4 362 269 A muestra un procedimiento y sistema para controlar la combustion de carbon o corteza en una caldera de carbon o licor negro en una caldera de recuperacion para proporcionar una operacion con la maxima eficiencia. Se proporcionan bucles de control para el aire primario o de combustion inferior y para el aire secundario o de combustion superior. El bucle de control de aire de combustion inferior se ajusta en funcion de la relacion dioxido de carbono o vapor/combustible, y el bucle de control del aire de combustion superior se ajusta en funcion del monoxido de carbono. Ademas del monoxido de carbono, se pueden utilizar combustibles y opacidad. La redistribucion del aire tambien se utiliza para minimizar combustibles o CO u opacidad.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
El asunto a tratar, que se considera como la invencion, se senala particularmente y se reivindica claramente en las reivindicaciones al termino de la especificacion. Lo anterior y otras caractensticas y ventajas de la invencion resultan evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada en conjunto con los dibujos que la acompanan, en los cuales:
La Figura 1 es un diagrama esquematico de un aparato de caldera;
la Figura 2 es una representacion grafica de servocomandos principal y de impulsos para su uso con el aparato de caldera de la Figura 1; y
la Figura 3 es un diagrama esquematico de componentes de una unidad de control ejemplar del aparato de caldera de la Figura 1.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
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Haciendo referencia a la Figura 1, se proporciona un aparato de caldera 10. El aparato de caldera 10 incluye una primera y segunda unidades de suministro 20, 21, un recipiente 30, un sensor de monoxido de carbono (CO) 40 y una unidad de control 50. Las primera y segunda unidades de suministro 20, 21 estan configuradas para proporcionar suministros de materiales de combustion para la combustion de los mismos a un interior 31 del recipiente 30, que se acopla a la primera y segunda unidades de suministro 20, 21, y en el que se produce la combustion de los materiales de combustion. El sensor de monoxido de carbono (CO) 40 esta dispuesto en una salida 32 del interior 31 del recipiente 30 para detectar una cantidad de CO de escape que es emitida desde el recipiente 30 como un producto de combustion en el mismo. La unidad de control 50 esta acoplada a la primera y segunda unidades de suministro 20, 21 y al sensor 40. La unidad de control 50 esta configurada para emitir un servocomando principal 501 y un servocomando de impulsos 502 (vease la Figura 2) a una o mas de la primera y segunda unidades de suministro 20, 21 para controlar las operaciones de las mismas de acuerdo con la cantidad detectada del CO de escape.
Tfpicamente, el flujo de combustible en una caldera se programa (estaticamente) en base a una "tasa de encendido" (una variable interna del controlador que otro controlador calcula dinamicamente, basada, por ejemplo, en la temperatura del agua o la presion del vapor). En algunos sistemas, el flujo de aire tambien se programa basado en la tasa de encendido, mientras que en otros sistemas el flujo de aire se controla con respecto a un punto de ajuste dependiente de la tasa de encendido. Para el control basado en CO, este punto de ajuste se puede ajustar dinamicamente basandose en mediciones de la cantidad detectada del CO de escape. El servocomando de impulsos 502 (o un "MicroPulso") permite un control basado en CO limitando las grandes excursiones de CO.
Todas las calderas funcionan "inclinadas" (y no estequiometricas como en un tfpico motor de combustion interna impulsado por gasolina) lo que significa que siempre hay un exceso de aire que fluye en la caldera. Una relacion aire-combustible de 1,1 significa que esta presente un 10% mas de aire de lo que es estequiometricamente necesario. Un objetivo del servocomando de impulsos 502 (es decir, el "MicroPulso") es inclinar temporalmente la mezcla a, por ejemplo, una relacion de 1,07. Esto se puede lograr de diversas maneras incluyendo, pero sin limitacion, anadiendo mas combustible o menos flujo de aire. Estas operaciones son funcionalmente casi equivalentes e intercambiables y la eleccion entre ellas depende de consideraciones de ingeniena (por ejemplo, velocidad del accionador).
De acuerdo con realizaciones, el recipiente 30 puede ser un combustor de, por ejemplo, un motor de turbina de gas. En este y otros casos similares, la primera unidad de suministro 20 proporciona un suministro de aire para la combustion del mismo al interior 31 del recipiente 30 y la segunda unidad de suministro 21 proporciona un suministro de combustible para la combustion del mismo al interior 31 del recipiente 30. El recipiente 30 incluye ademas una seccion de mezcla 301 en la que se mezclan los materiales de combustion (es decir, el aire y el combustible) y una seccion de combustion 302. La seccion de combustion 302 se dispone aguas abajo de la seccion de mezcla 301 y esta formada para definir el interior 31 donde se produce la combustion de los materiales de combustion. La seccion de combustion 302 esta formada adicionalmente para definir la salida 32 donde esta dispuesto el sensor 40.
Haciendo referencia a las Figuras 1 y 2, el servocomando principal 501 incluye uno o ambos de un primer comando de base 5010 a emitir a la primera unidad de suministro 20 y un segundo comando de base 5011 a emitir a la segunda unidad de suministro 21. El primer comando de base 5010 instruye la primera unidad de suministro 20 para proporcionar al interior 31 del recipiente 30 una cantidad inicial de aire para la combustion del mismo durante una cantidad inicial de tiempo. El segundo comando de base 5011 instruye la segunda unidad de suministro 21 para proporcionar al interior 31 del recipiente 30 una cantidad inicial de combustible para la combustion del mismo durante una cantidad inicial de tiempo. De acuerdo con realizaciones, las respectivas cantidades iniciales de aire, combustible y tiempo pueden estar asociadas con un rendimiento inicial de la caldera del aparato de caldera 10.
El servocomando de impulsos 502 incluye uno o ambos de un primer comando adicional 5020 a emitir a la primera unidad de suministro 20 y un segundo comando adicional 5021 que se emitira a la segunda unidad de suministro 21. El primer comando adicional 5020 instruye a la primera unidad de suministro 20 para disminuir la cantidad de aire proporcionada al interior 31 del recipiente 30 para la combustion del mismo mas alla de la cantidad inicial del aire durante un corto tiempo que es mas corto que la cantidad inicial de tiempo. El segundo comando adicional 5021 da instrucciones a la segunda unidad de suministro 21 para aumentar la cantidad de combustible proporcionada al interior 31 del recipiente 30 para la combustion del mismo mas alla de la cantidad inicial del combustible durante un corto periodo de tiempo que es mas corto que la cantidad inicial de tiempo.
Como se muestra en la Figura 2, el servocomando principal 501 es variable en el tiempo y puede aumentar con el tiempo en una cantidad que disminuye de forma estable hasta un equilibrio en el que no se produce ningun aumento adicional. El servocomando de impulsos 502 tambien es variable en el tiempo y se emite periodicamente. De acuerdo con una realizacion, el servocomando de impulsos 502 puede
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emitirse durante aproximadamente 5 segundos cada 30 segundos, aunque debe entenderse que esto es meramente ilustrativo y que son posibles otras frecuencias y periodos. De esta manera, el servocomando de impulsos 502 comprueba si un punto operativo actual del aparato de caldera 10 segun se establece por el servocomando principal 501 esta proximo a una relacion cntica de aire y combustible en la que una cantidad de CO de escape detectada por el sensor 40 comienza a aumentar bruscamente. El desplazamiento de tiempo entre cada impulso representa el retardo que se espera antes de que se detecten los resultados del impulso. Puesto que el impulso es relativamente corto, el tiempo empleado con tal sonda en efecto esta limitado para limitar el escape de una cantidad aumentada de CO durante un periodo de tiempo prolongado.
En particular, desde el instante tn hasta el instante tn, la unidad de control 50 emite el servocomando principal 501 a una o mas de la primera y segunda unidades de suministro 20, 21. El servocomando principal 501 da instrucciones a una o mas de la primera y segunda unidades de suministro 20, 21 para disminuir/aumentar de manera estable el suministro correspondiente del aire y/o combustible al interior 31 del recipiente 30. Desde el instante tn al instante tx, la unidad de control 50 emite el servocomando de impulsos 502 en la parte superior del servocomando principal 501 como una instruccion para disminuir/aumentar la alimentacion o alimentaciones correspondiente(s) del aire y/o combustible para el instante tn al instante tx. En el instante tx, cesa el servocomando de impulsos 502 y el servocomando principal 501 se sigue emitiendo y se disminuye/aumenta de manera estable por la unidad de control 50. El periodo del instante tx al instante ty se establece suficientemente largo con respecto a los retrasos de transporte en el recipiente 30 de tal manera que el CO producido por la combustion en el mismo puede ser detectado por el sensor 40, por lo que el sensor 40 es capaz de determinar si se ha alcanzado o se alcanzara pronto la relacion cntica de aire y combustible en la cual la cantidad de CO de escape comienza a aumentar bruscamente sin que el aparato 10 tarde una cantidad significativa de tiempo en ese intervalo de relacion de aire y combustible. Si el sensor 40 determina que no se ha alcanzado y no se alcanzara pronto la relacion cntica de aire y combustible, el proceso continua con la unidad de control 50 emitiendo nuevamente el servocomando de impulsos 502 en la parte superior del servocomando principal del instante ty al instante tz. En el instante tz, cesa el servocomando de impulsos 502 y el servocomando principal 501 continua emitiendose y aumentandose de forma estable por la unidad de control 50 hasta que el sensor 40 determina que la relacion cntica de aire y combustible se ha aumentado o se aumentara pronto. Una vez que esto se produce, el servocomando de impulsos 502 ya no se emite y el servocomando principal 501 ya no se aumenta a una velocidad significativa por la unidad de control 50.
Con la unidad de control 50 acoplada a la primera y segunda unidades de suministro 20, 21 y al sensor 40, la unidad de control 50 es capaz de variar tanto el servocomando principal 501 como el servocomando de impulsos 502 con el tiempo de acuerdo con al menos la cantidad detectada del CO de escape (y posiblemente otras propiedades detectadas, tales como 02). Es decir, mientras que el servocomando principal 501 puede aumentarse de manera estable a lo largo del tiempo como se ha descrito anteriormente, el servocomando de impulsos 502 puede ser constante con respecto al servocomando principal en el tiempo o disminuirse con respecto al servocomando principal 501 en el tiempo. Es decir, una magnitud de 502a puede ser sustancialmente similar o diferente de una magnitud de 502b. Para el ultimo caso en el que 502a y 502b son diferentes, el sondeo de la relacion cntica de aire y combustible mediante la emision del servocomando de impulsos 502 puede lograrse, por lo tanto, en un grado cada vez mas limitado con una mayor limitacion asociada de emisiones de CO. El grado en el que el servocomando de impulsos 502 se reduce con respecto al servocomando principal 501 a lo largo del tiempo puede basarse en lecturas del sensor 40 y/o datos historicos de emisiones de CO para el aparato 10.
Como se ha mencionado anteriormente, la unidad de control 50 es capaz de detener la emision del servocomando de impulsos 502 de acuerdo con la cantidad detectada del CO de escape. Aun adicionalmente, la unidad de control 50 puede dejar de emitir el servocomando de impulsos 502 cuando la cantidad detectada del CO de escape indica que se ha alcanzado el servocomando principal 501, que se alcanzara pronto o que se aproxima sustancialmente a la relacion cntica de aire y combustible (o un intervalo aceptable de los mismos). El servocomando de impulsos 502 puede reanudarse mas adelante tan pronto como la cantidad detectada del CO de escape indique un margen suficientemente grande de la region cntica.
Haciendo referencia a la Figura 3, la unidad de control 50 incluye una unidad de entrada 51, una unidad de calculo 52 y una unidad de salida 53. La unidad de entrada 51 sirve para permitir una entrada de condiciones (es decir, tiempo de muestreo, periodo de activacion, duracion del impulso) para activar la emision del servocomando de impulsos 502, asf como una entrada de una forma y un tipo (es decir, la altura del impulso) del servocomando de impulsos 502. La unidad de calculo 52 determina si las condiciones de entrada se cumplen actualmente. La unidad de salida 53 convierte un resultado afirmativo de la determinacion de la unidad de calculo 52 en un accionador para emitir el servocomando de impulsos 502.
Aunque la invencion se ha descrito en detalle en relacion con unicamente un numero limitado de
realizaciones, debe entenderse facilmente que la invencion no se limita a tales realizaciones descritas. Por el contrario, la invencion puede modificarse para incorporar cualquier numero de variaciones, alteraciones, sustituciones o disposiciones equivalentes no descritas hasta ahora, pero que sean proporcionales al alcance de la invencion. Ademas, aunque se han descrito diversas realizaciones de la invencion, debe 5 entenderse que los aspectos de la invencion pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. Por consiguiente, la invencion no debe considerarse limitada por la descripcion anterior, sino que esta limitada unicamente por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema para el control de caldera, que comprende:
    unidades de suministro (20, 21) para proporcionar suministros de materiales de combustion para la combustion de los mismos;
    un recipiente (30) acoplado a las unidades de suministro (20, 21) en el que se queman los materiales de combustion;
    un sensor de monoxido de carbono (CO) (40) dispuesto en una salida (32) del recipiente (30) para detectar una cantidad de CO de escape emitida desde el recipiente (30) como un producto de combustion en el mismo; y
    una unidad de control (50) acoplada a las unidades de suministro (20, 21) y el sensor (40), con la unidad de control (50) configurada para emitir un servocomando principal (501) y un servocomando de impulsos (502) a una o mas de las unidades de suministro (20, 21) para controlar las operaciones de las mismas de acuerdo con la cantidad detectada del CO de escape; donde el servocomando principal (501) comprende:
    un primer comando para proporcionar una cantidad de aire para la combustion del mismo durante una cantidad de tiempo; y
    un segundo comando para proporcionar una cantidad de combustible para la combustion del mismo durante una cantidad de tiempo;
    caracterizado por que
    el primer comando sirve para proporcionar una cantidad inicial de aire para la combustion del mismo durante una cantidad de tiempo inicial;
    el segundo comando sirve para proporcionar una cantidad inicial de combustible para la combustion del mismo durante una cantidad de tiempo;
    las respectivas cantidades iniciales de aire, combustible y tiempo estan asociadas con el rendimiento inicial de la caldera; y
    el servocomando de impulsos (502) comprende un comando adicional para disminuir la cantidad de aire proporcionada para la combustion del mismo mas alla de la cantidad inicial durante un corto tiempo que es mas corto que la cantidad de tiempo inicial; o
    el servocomando de impulsos (502) comprende un comando adicional para aumentar la cantidad de combustible proporcionada para la combustion del mismo mas alla de la cantidad inicial durante un corto tiempo que es mas corto que la cantidad de tiempo inicial.
  2. 2. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, donde las unidades de suministro (20, 21) comprenden:
    una primera unidad de suministro (20) para proporcionar un suministro de aire para la combustion del mismo; y
    una segunda unidad de suministro (21) para proporcionar un suministro de combustible para la combustion del mismo.
  3. 3. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, donde el recipiente (30) comprende:
    una seccion de mezcla (301) en la que se mezclan los materiales de combustion; y
    una seccion de combustion (302) aguas abajo de la seccion de mezcla (301) en la que se produce la
    combustion de los materiales de combustion.
  4. 4. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, donde el servocomando principal (501) es variable en el tiempo.
  5. 5. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, donde el servocomando de impulsos (502) es variable en el tiempo y se emite periodicamente, y/o donde se emite el servocomando de impulsos (502) durante aproximadamente 5 segundos cada 30 segundos.
  6. 6. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, donde la unidad de control (50) vana el servocomando principal (501) a lo largo del tiempo y cesa la emision del servocomando de impulsos (502) de acuerdo con la cantidad detectada del CO de escape.
  7. 7. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, donde la unidad de control (50) cesa la emision del servocomando de impulsos (502) cuando la cantidad detectada del CO de escape indica que el servocomando principal (501) se aproxima sustancialmente a una relacion de aire y combustible cntica.
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  8. 8. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, donde la unidad de control (50) comprende:
    una unidad de entrada (51) mediante la cual se introducen las condiciones para activar la emision del servocomando de impulsos (502);
    una unidad de calculo (52) mediante la cual se determina si las condiciones de entrada se cumplen actualmente; y
    una unidad de salida (53) mediante la cual un resultado afirmativo de la determinacion de la unidad de calculo (52) se convierte en un accionador para emitir el servocomando de impulsos (502).
  9. 9. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 8, donde el tiempo de muestreo, el periodo de activacion, la duracion del impulso y la altura del impulso del servocomando de impulsos (502) se introducen por medio de la unidad de entrada (51).
  10. 10. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende:
    la unidad de control (50) que esta configurada para emitir a una o mas de las unidades de suministro (20, 21) de acuerdo con la cantidad detectada del CO de escape:
    un servocomando principal (501) para proporcionar las cantidades iniciales de los materiales de combustion para la combustion de los mismos durante cantidades de tiempo iniciales, y un servocomando de impulsos (502) para aumentar la cantidad de materiales de combustion proporcionados para la combustion de los mismos mas alla de las cantidades iniciales durante cortos tiempos que son mas cortos que las cantidades de tiempo iniciales.
  11. 11. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 10, donde el servocomando principal (501) es variable en el tiempo y el servocomando de impulso (502) es variable en el tiempo y se emite periodicamente, o donde la unidad de control (50) cesa la emision del servocomando de impulsos (502) de acuerdo con la cantidad detectada del CO de escape.
  12. 12. El sistema de acuerdo con la reivindicacion 10, donde la unidad de control (50) comprende:
    una unidad de entrada (51) mediante la cual se introducen las condiciones para activar la emision del servocomando de impulsos (502);
    una unidad de calculo (52) mediante la cual se determina si las condiciones de entrada se cumplen actualmente; y
    una unidad de salida (53) mediante la cual un resultado afirmativo de la determinacion de la unidad de calculo (52) activa la emision del servocomando de impulsos (502).
  13. 13. Un metodo de control de caldera, comprendiendo el metodo:
    emitir un servocomando principal (501) a una o mas unidades de suministro (20, 21) acopladas a un recipiente (30) para proporcionar cantidades iniciales de los materiales de combustion al recipiente (30) para la combustion de los mismos dentro del recipiente (30) durante cantidades iniciales de tiempo;
    emitir un servocomando de impulsos (502) a una o mas unidades de suministro (20, 21) para aumentar la cantidad de materiales de combustion proporcionados para la combustion de los mismos mas alla de las cantidades iniciales durante cortos tiempos que son mas cortos que las cantidades de tiempo iniciales;
    detectar una cantidad de monoxido de carbono (CO) producido por la combustion dentro del recipiente (30); y
    controlar la emision de los servocomandos principal y de impulsos (501, 502) de acuerdo con al menos
    la cantidad detectada del CO;
    donde el servocomando principal (501) comprende:
    un primer comando para proporcionar una cantidad de aire para la combustion del mismo durante una cantidad de tiempo; y
    un segundo comando para proporcionar una cantidad de combustible para la combustion del mismo durante una cantidad de tiempo;
    caracterizado por que
    el primer comando sirve para proporcionar una cantidad inicial de aire para la combustion del mismo durante una cantidad de tiempo inicial;
    el segundo comando sirve para proporcionar una cantidad inicial de combustible para la combustion del mismo durante una cantidad de tiempo;
    las respectivas cantidades iniciales de aire, combustible y tiempo estan asociadas con el rendimiento inicial de la caldera; y
    el servocomando de impulsos (502) comprende un comando adicional para disminuir la cantidad de aire proporcionada para la combustion del mismo mas alla de la cantidad inicial durante un corto
    tiempo que es mas corto que la cantidad de tiempo inicial; o
    el servocomando de impulsos (502) comprende un comando adicional para aumentar la cantidad de combustible proporcionada para la combustion del mismo mas alla de la cantidad inicial durante un corto tiempo que es mas corto que la cantidad de tiempo inicial.
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