Diagnóstico y control avanzado de quemadores de premezcla a partir de señales de llama

Resumen

Entre las tecnologías utilizadas en turbinas de gas, la combustión de premezcla pobre (LPC, Lean Premixed Combustion) destaca por los resultados alcanzados en la reducción de emisiones de NOX, impulsándola hasta convertirse en la alternativa más extendida en las nuevas instalaciones. Una cuestión clave en LPC es la elevada dependencia de las emisiones y la estabilidad de la llama con el punto de operación. Mientras que los NOX se reducen al hacer la llama más pobre, un empobrecimiento excesivo favorece el aumento de emisiones de CO y la aparición de inestabilidades. Juega por tanto un papel especialmente crítico el control y la optimización del proceso, ya que sería posible reducir las emisiones de contaminantes, al mismo tiempo que se resuelven los problemas de estabilidad. Además, se obtendría una mayor flexibilidad de operación, ampliando el rango de cargas y combustibles que permitiría a las centrales de producción de energía adaptarse a demandas fluctuantes en mercados energéticos liberalizados. Parte fundamental del control reside en la capacidad de diagnosticar en qué estado se encuentra el sistema que se desea controlar, ya que la acción a realizar en cada momento dependerá directamente de dicho estado. En el caso de las emisiones, existe gran cantidad de soluciones comerciales para medir directamente la composición de gases de salida. Sin embargo, los analizadores de gases tienen un tiempo de respuesta elevado (del orden de minutos) que introduce un retraso que afecta negativamente al control, además de que no permite distinguir las aportaciones debidas a los distintos quemadores. Por estos motivos, una estimación indirecta a partir de información extraída directamente de la llama, supondría una importante ventaja. Un aspecto particularmente crítico es el diagnóstico del estado de estabilidad de la llama, dado que cualquier esquema de control viable debe evitar llevar el sistema a regímenes de inestabilidad. El objetivo para esta tesis es el desarrollo de un sistema de control capaz de operar de forma autónoma para minimizar las emisiones y eliminar o evitar la aparición de inestabilidades en un quemador de premezcla pobre basándose en el diagnóstico del estado de la combustión. DIAGNÓSTICO A pesar de que es necesario realizar un profundo análisis de toda la información recogida por el conjunto de los sensores para alcanzar un diagnóstico adecuado del estado de la combustión, los resultados obtenidos con las herramientas desarrolladas muestran que es posible extraer la misma información con un conjunto reducido de señales. En concreto, el procesado de las señales de presión y radiación obtenidas directamente de la cámara de combustión permite realizar el diagnóstico de emisiones e inestabilidades. Partiendo del supuesto inicial de que la emisión de luz puede utilizarse como 'huella dactilar' de cada llama y realizando un estudio sistemático del procesado de las señales orientado a la estimación de las emisiones, se ha alcanzado el objetivo de obtener estimaciones a partir de la señal de radiación con errores inferiores al 5%. Incluso, en algunos casos, la información aportada por la señal de presión ha permitido mejorar estas estimaciones. No obstante, lo que resulta más interesante para la aplicación de estos resultados es el hecho de que las estimaciones con diferentes conjuntos de entradas coincidan casi perfectamente con las medidas en el rango de bajas emisiones. Este hecho permite integrar el módulo de estimación de emisiones en los sistemas de control con una elevada fiabilidad. Como punto crítico, cabe mencionar el hecho de que el comportamiento de la instalación debe ser repetible, ya que no será posible estimar correctamente las emisiones si con el paso de los días estas varían para los mismos valores de las señales. El análisis del comportamiento de la instalación muestra que, en términos generales, la inestabilidad termoacústica es dependiente de parámetros como la longitud de la cámara de combustión, la potencia, la temperatura de la mezcla e incluso de la temperatura ambiente. Esta dependencia genera una gran incertidumbre sobre la aparición de la inestabilidad para una determinada condición, lo que motiva la necesidad del diagnóstico y el establecimiento de un margen de seguridad respecto al límite de estabilidad. Esta motivación puede aplicarse también a la inestabilidad por despegue de llama. Si bien es cierto que no existe una dependencia marcada de esta inestabilidad con ninguno de los parámetros antes mencionados, el límite de estabilidad se ve afectado de forma significativa por la composición del combustible. En particular, las mezclas con presencia de H2 desplazan la condición de despegue a condiciones más pobres mientras que en el caso de añadir CO2, este límite aparece en condiciones más ricas. Un análisis detallado de diferentes estrategias para identificar y predecir las inestabilidades ha permitido la implementación de una herramienta de diagnóstico que combina la información extraída de las señales para identificar el régimen de estabilidad del sistema y determinar la proximidad al límite de estabilidad. Los resultados obtenidos han mostrado que es posible detectar y anticipar las inestabilidades que se producen en la instalación de forma general para todo el rango de potencias y longitudes de cámara de combustión sin tener que realizar ajustes específicos en los coeficientes. No obstante, al variar de forma significativa la composición del combustible, los cambios en las señales impiden determinar de forma precisa los límites de estabilidad por lo que en algunos casos puede ser necesario recalibrar los umbrales para ajustar el método general propuesto aquí a otras situaciones. CONTROL La primer versión del sistema de control se diseñó para minimizar las emisiones, según una cierta función de coste que combina las concentraciones de NOX y CO. Las pruebas realizadas demuestran que es posible alcanzar el punto óptimo partiendo únicamente de las estimaciones generadas a partir de las señales de llama; es decir, a pesar de que estas estimaciones están afectadas por cierto nivel de incertidumbre, el comportamiento observado es prácticamente idéntico al obtenido cuando se utilizan como datos de entrada los valores reales de emisiones determinados mediante los analizadores de gases. Respecto a estos, los sensores de llama tienen la ventaja de proporcionar resultados prácticamente instantáneos y asociados a llamas individuales. Sin embargo, pudo comprobarse la importancia de dotar al sistema de control de capacidades de diagnóstico y acción en relación a las características de estabilidad del proceso. En la instalación utilizada en los ensayos, la proximidad del óptimo al límite de despegue unido a la histéresis presente en el sistema impide alcanzar el óptimo en condiciones de llama anclada. Es por tanto un aspecto clave la monitorización del estado de estabilidad para alcanzar los resultados deseados. El segundo sistema de control, basado en la regulación del caudal de aire y el escalonamiento de combustible, alcanza el objetivo de conducir la combustión hasta el régimen estable desde cualquier situación inicial y mantener la estabilidad ante variaciones de potencia y derivas en el caudal de aire. Los aspectos críticos en este caso son el diagnóstico del estado de estabilidad y comportamiento de la instalación. El funcionamiento del sistema de control será correcto mientras lo sea el diagnóstico y el comportamiento no se aleje del utilizado para el desarrollo del esquema de control. Esto se aprecia al variar la composición del combustible, donde bajas concentraciones de hidrógeno o dióxido de carbono no afectan significativamente al proceso de control, mientras que cambios mayores suponen el fallo en la estabilización del sistema. Finalmente, los resultados en la optimización simultánea de emisiones y estabilidad muestran que tanto para metano como para diferentes composiciones de combustible con al menos un 75 % de metano, el sistema de control permite alcanzar el óptimo para cualquier situación inicial. La clave, de nuevo, se encuentra en el correcto diagnóstico del estado y un esquema de control que se adapte al comportamiento del sistema. En este caso, el equilibrio que deben alcanzar los sistemas de control entre la velocidad de respuesta y las sobreoscilaciones se ha orientado a evitar estas últimas. Por lo tanto, aunque el sistema pueda ser más lento que los desarrollados previamente, se alcanza el óptimo de forma más segura. Como conclusión final, se considera que se han alcanzado satisfactoriamente los objetivos planteados para el desarrollo de sistemas de control avanzado basados en el diagnóstico del estado de la combustión.