Automatización de una planta de generación eléctrica con 2 microturbinas de biogás
Introducción
En nuestra sociedad la energía es uno de los
pilares de nuestro sistema de actividad y la forma más típica de energía es la
electricidad. La electricidad rodea nuestro día y continuamente usamos multitud
de servicios que consumen electricidad como, por ejemplo, la iluminación, los
ordenadores o en forma de frío para conservar los alimentos.
Pero los recursos de energía primaria son
escasos por lo que la tecnología se enfrenta día a día a nuevos retos para
desarrollar otras fuentes de energía primaria no utilizadas hasta el momento.
La empresa SIDE ha participado de este reto automatizando un conjunto de
equipos de Micropower para la combustión de biogás en microturbinas.
En el siguiente artículo se explica como se resolvió la automatización de las turbinas con un PLC V570 de Unitronics y un eWON comunicados en Modbus.
SIDE es una empresa fundada en 1975 como empresa de desarrollo e ingeniería de automatismos eléctricos, siendo una de las primeras firmas nacionales en diseñar y comercializar su propio PLC.
En el siguiente artículo se explica como se resolvió la automatización de las turbinas con un PLC V570 de Unitronics y un eWON comunicados en Modbus.
SIDE es una empresa fundada en 1975 como empresa de desarrollo e ingeniería de automatismos eléctricos, siendo una de las primeras firmas nacionales en diseñar y comercializar su propio PLC.
Por otra parte, Micropower Europe es el
representante de Capstone Turbine Corporation para España Portugal. Capstone es
el líder mundial en la fabricación de microturbinas de gas para la generación
de energía. Ha suministrado más de 6.500 unidades en todo el mundo con más de
25 millones de horas de funcionamiento documentadas.
Descripción de la planta
La fuente de energía primaria de la planta
es el biogás. El biogás se caracteriza por la multitud de procesos de los que
se puede obtener pero tiene un bajo poder calorífico y contenidos altos de
ácido sulfhídrico. En este caso el biogás proviene de un vertedero de residuos
orgánicos situado en Galicia. De los residuos almacenados se obtendrá biogás y éste
se quemará en las microturbinas para obtener electricidad. El biogás se obtiene
de los residuos por un proceso de metanogénesis en el que se produce metano y
dióxido de carbono. Los residuos están almacenados debajo de una cubierta
impermeable que no deja escapar el biogás y a través de unos pozos se recoge
este biogás.
Pero el biogás no puede entrar de cualquier
forma a las microturbinas. Las condiciones a las que debe estar el biogás para
que el proceso sea seguro y óptimo deben estar controladas por la unidad de
tratamiento del biogás (UTB). Esta unidad realiza un pre-proceso en el que
cambia las condiciones termodinámicas de temperatura y presión del biogás que
entra a la microturbina. Si por las variables que se monitorizan debe evacuar parte
del biogás se abre una electroválvula controlada que desvía parcialmente o completamente
el biogás a una antorcha que quema el gas en la atmósfera. Esto es porque el
biogás es muy tóxico y no se puede liberar a la atmósfera.
Una vez el biogás está en las condiciones de
operación ya puede entrar a la microturbina.
Ilustración 1
- Esquema de la planta de generación eléctrica
Las microturbinas transforman la energía
química del biogás en un proceso de combustión en el que se obtiene energía
mecánica y acoplando un alternador al eje de la microturbina obtenemos energía
eléctrica. El ciclo térmico de Brayton que posibilita esta conversión está
ampliamente utilizado en turbinas de aviones o grandes plantas generadoras de
electricidad donde la potencia obtenida es muy elevada. Micropower ofrece ahora
este proceso reduciendo sus dimensiones para que sean aplicables a pequeños
generadores y favoreciendo la generación distribuida. Además, estas mismas microturbinas
también pueden utilizar combustibles convencionales para centrales de cogeneración
o equipos de emergencia. La cogeneración permite una alta eficiencia energética
en casos donde se precisa tanto energía eléctrica como térmica. Típicamente son
casos como hoteles, hospitales, edificios y otros. Las microturbinas como
equipos de emergencia son útiles para el suministro de electricidad en centros
aislados de la red eléctrica o en casos donde si falla la red no se puede
detener el suministro eléctrico. Las microturbinas Capstone pueden trabajar en
modo dual; pueden están acopladas a la red y en caso de fallo de la red se
detienen y arrancan en modo aislado de forma autónoma. En cuanto a la
composición del biogás, las microturbinas Capstone pueden trabajar con
contenidos de metano desde el 35% y con un máximo de 70.000 ppm de H2S.
Como últimos detalles de las microturbinas
destacar la posibilidad de modular la carga con el uso de varias unidades y el
hecho que el rendimiento eléctrico no se vea afectado por el poder calorífico
inferior (PCI) del biogás.
Las innovaciones que presentan las
microturbinas frente a las turbinas convencionales son tanto mecánicas por su
simplicidad como eléctricas ya que incorporan electrónica de potencia. Las
turbinas convencionales constan de un compresor de varias etapas, una cámara de
combustión y varias etapas de turbina. El movimiento rotatorio de las turbinas de
generación convencionales va desde las 15.000 hasta las 20.000 rpm. Para poder realizar
el acoplamiento a un generador, se usa un reductor mecánico que ajusta la velocidad
a 1.500 rpm. Por el contrario, las microturbinas son bastante diferentes en
este sentido. El compresor y la turbina son de una única etapa sobre una única
pieza móvil que forma parte del alternador. Las velocidades de rotación de este
eje pueden llegar hasta las 96.000 rpm y la adaptación de la frecuencia
generada a la frecuencia de la red se realiza a través de la electrónica de
potencia. De manera que la electricidad generada se convierte a continua y
luego se convierte de continua a alterna mediante un inversor. De esta manera
la frecuencia de la microturbina es independiente de la frecuencia de la red.
Para conectarse a la red no es necesario
ningún elemento intermedio pues se sincroniza directamente al conectarla a un
cuadro de baja tensión.
Sistema escogido para la automatización del proceso
El sistema de automatización diseñado está
centralizado en el PLC V570 de Unitronics.
Ilustración 2
- Vista la pantalla del PLC observando la microturbina 1
Este dispositivo lleva integrado una
pantalla táctil que es muy fácil de configurar y es el cuadro de control de la
planta. El objetivo del PLC es consultar las diferentes unidades que actúan
coordinadamente para asegurar el buen funcionamiento de las microturbinas y así
garantizar la seguridad del proceso. El PLC consulta los equipos de la planta y
según unos condicionantes realiza unas determinadas secuencias. Las unidades
monitorizadas son las microturbinas, la antorcha, la UTB, el analizador de
biogás, el analizador de redes, el contador de biogás y el calorímetro.
El PLC se comunica con los diferentes agentes
a través de distintas redes. Para el analizador de redes, el contador de biogás
y el calorímetro se utiliza una red Modbus RTU en RS485. Las microturbinas
llevan integradas una placa electrónica propia y se conectan con el PLC vía
Modbus-RTU en RS-485 a través del conversor MOXA. Para la comunicación entre el
PLC y el analizador de biogás se utiliza un puerto Modbus RTU vía RS232 y entre
el PLC y la UTB por Unican; un bus CAN propio de Unitronics, ya que la UTB
lleva incorporado un PLC de Unitronics. La comunicación con la antorcha se
realiza mediante conexiones digitales de entrada y salida directas entre la
antorcha y el PLC.
Para el acceso remoto entre el PLC y los
ordenadores que supervisan la planta se utiliza un sistema basado en una wifi
interna. Todas estas conexiones se realizan punto a punto.
Actualmente el proyecto se encuentra en fase
de puesta en marcha por parte de Micropower. En caso de ser necesarias
modificaciones en el programa del PLC, éstas se hacen a través de un router
eWON, que permite conectarse remotamente de forma sencilla a través de Internet
y de forma segura gracias al establecimiento de conexiones VPN mediante el
servidor gratuito Talk2M.
Ilustración 3
- Esquema de funcionamiento del
router eWON y la
conexión con el servidor Talk2M
En cuanto a la automatización de las
distintas maniobras que se programan entre las unidades cabe destacar la red
Modbus que une el analizador de redes, el contador de biogás y el calorímetro.
El analizador de redes, que es de cuatro cuadrantes, analiza únicamente el
consumo de las dos microturbinas actuales aunque el proyecto está dimensionado
para poder instalar 2 microturbinas más. Los datos recogidos se muestran en la
pantalla del PLC para que el operario pueda comprobar que todo funciona correctamente
y, a la vez, se guardan los datos del analizador de redes en la memoria SD del
PLC, para poder extraer los datos almacenados posteriormente. La función
principal de la conexión entre el PLC y el contador de biogás es consultar la
temperatura, el caudal y el volumen consumido de biogás. A la vez que si se
superan unos valores límite de temperatura la planta entraría en parada de
emergencia. Los datos consultados del calorímetro hacen referencia al
intercambiador de la microturbina y son el caudal de gas, la energía intercambiada
y las temperaturas de entrada y salida de los gases.
En cuanto a las características
termodinámicas del biogás, el PLC consulta los datos que obtiene el analizador de biogás. Esta
conexión se realiza a través de Modbus RTU vía RS232 y si en algún momento se
perdiera la comunicación la planta iniciaría una parada controlada. En cuanto a
la seguridad de la planta, existe un índice de riesgo para los parámetros
analizados del biogás que no se pueden superar. Superar estos índices de riesgo
significaría iniciar una parada controlada de la planta. El proceso previo que
realiza la UTB se consulta a través del Unican comentado anteriormente. El
biogás obtenido se caracteriza por su contenido de metano y de dióxido de
carbono, pero las condiciones termodinámicas del biogás no son adecuadas para
la microturbinas: el biogás obtenido tiene una humedad relativa del 80%, la
presión es muy baja y los contenidos de componentes orgánicos volátiles (COV’s)
son demasiado altos y podrían ocasionar daños a la microturbina. Para asegurar
que el biogás entra en condiciones adecuadas es necesario colocar la UTB. Las
funciones de la UTB son el secado del biogás por su alto porcentaje de agua en
la obtención, la compresión para aumentar su presión de entrada a la
microturbina y el filtrado para eliminar los COV’s. El PLC consulta los datos
de temperatura y presión del biogás a la entrada y la salida de la UTB y así se
asegura que el biogás entrará correctamente. Por lo que hace referencia a los
COV’s, los más importantes son los siloxanos que son muy perjudiciales para
cualquier máquina térmica porque deja precipitados de silicio. La UTB es un
elemento autónomo y la misión del PLC es determinar cuándo se pone en marcha o
por el contrario si se debe detener según las condiciones establecidas. Uno de
los detalles más característicos de la UTB es que hay unos márgenes de tiempo
entre la parada y la siguiente puesta en marcha.
Y finalmente, el PLC consulta a las
microturbinas. Las microturbinas son elementos autónomos que llevan una placa
electrónica propia que, vía un convertidor MOXA, se conectan las microturbinas
al Modbus RTU RS485.
Conclusiones
Con este proyecto la empresa SIDE ha logrado
automatizar un proceso en el que la seguridad y el buen funcionamiento de la
planta deben estar garantizados.
Ilustración 4
- Cuadro eléctrico del sistema
Por otra parte, la participación del biogás
en los sistemas de generación distribuida y régimen especial gana terreno día a
día. Uno de los motivos es que las microturbinas ofrecen rendimientos del 26%
en potencias de 30 kW y a partir de potencias de 200 kW ofrece un rendimiento del
33%. De esta manera se aprovecha una energía hasta ahora no utilizable.
Además las microturbinas Capstone han
demostrado un buen funcionamiento y su diseño modular posibilita ampliaciones
de la planta para poder desarrollar el proyecto por etapas evitando así grandes
inversiones o retornos de la inversión más lejanos. Además estas microturbinas
permiten que posibles productores de biogás de pequeña escala puedan beneficiarse
del aprovechamiento energético de sus recursos. De aquí la importancia de este
proyecto desarrollado por SIDE de automatizar, a unos coste asumibles, las
distintas unidades de la planta de generación eléctrica por combustión biogás.
Acerca del router eWON
El eWON es un router industrial que ofrece
todo tipo de soluciones de conectividad para el sector industrial: teleservicio
y conectividad remota a través de VPN.
La gran ventaja del router eWON es que es
capaz de establecer comunicaciones a nivel tanto local como remoto con los PLCs
de manera fácil y segura. Este router incorpora desde pasarelas Ethernet a
RS-232/422/485 y viceversa, hasta las más complejas soluciones de conectividad
a Internet + LAN utilizando todo tipo de redes PSTN, RDSI, GPRS, UMTS, HSDPA,
HSUPA y ADSL entre otras. eWON incorpora en sus modelos todo un conjunto de
soluciones orientadas al control de procesos gracias a que tiene integrados los
protocolos nativos de autómatas industriales. De esta manera, a parte del teleservicio
se puede monitorizar variables, gestionar alarmas, hacer notificaciones por SMS
o email, hacer histórico de datos, visualización SCADA. Además está dotado de
una memoria EPROM para capturar los datos que sean de interés. De esta manera,
por ejemplo, podemos recibir un email a las 9 de la mañana con el consumo de
distintas unidades. Una de las grandes bondades del eWON es que nos ofrece la
posibilidad de establecer conexiones VPN de forma sencilla y segura. Siguiendo
la filosofía del Cloud Computing, se creó el servidor Talk2M para facilitar
este tipo de conexiones. El router eWON establece una conexión de salida con el
Talk2M a través de VPN encriptando los datos y el usuario se conecta al
servidor Talk2M a través de su programa para poder consultar la información que
necesite. Con el router eWON podemos tener acceso a todos los equipos que
tengan Ethernet en la planta de destino y podremos consultar la información que
nos interese de forma sencilla y segura.
Acerca del PLC + HMI Unitronics
El equipo PLC con HMI permite una magnífica
integración del equipo con la solución de automatización, mejora la experiencia
del usuario al desarrollar la aplicación sobre una sola plataforma y además
dispone de asistentes para facilitar las tareas. Unitronics dispone de una gama
con equipos pequeños de dos líneas de texto hasta equipos gráficos táctiles de
12.1” de color. Esta amplia gama permite soluciones modulables y así ajustar
mucho los costes.
Más información en http://www.side.es info@side.es
Agradecimientos
Artículo elaborado mediante la colaboración
de:
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