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DDIIAAGGNNSSTTIICCOO TTEERRMMOOEECCOONNMMIICCOODDEE LLAA OOPPEERRAACCIINN DDEE UUNN CCIICCLLOO

CCOOMMBBIINNAADDOO

Luis Carlos Correas UsnIngeniero Industrial Mecnico

Memoria presentada en la Universidad de Zaragozapara la obtencin del grado de Doctor

Programa de Doctorado de Optimizacin EnergticaDepartamento de Ingeniera Mecnica

Zaragoza, julio de 2001

2 Diagnstico Termoeconmico de la Operacin de un Ciclo Combinado

Diagnstico Termoeconmico de la Operacin de un Ciclo Combinado 3

D. Antonio Valero Capilla, Catedrtico del Departamento de IngenieraMecnica

CERTIFICA:

Que la memoria titulada Diagnstico Termoeconmico de la Operacin deun Ciclo Combinado, presentada por D. Luis Carlos Correas Usn para optaral grado de Doctor ha sido realizada bajo su direccin.

Zaragoza, Julio de 2001

Fdo: Antonio Valero Capilla


Agradecimientos:

Quiero en primer lugar agradecer a los doctores D. Antonio Valero y D. JavierPisa, sin los que nunca hubiera existido este trabajo, por haber depositado yabonado la semilla de la inquietud y ayudarme a dar estos primeros pasos en mitrayectoria profesional y cientfica. Asimismo a D. Francisco Garca Pea porcontinuar el apoyo decidido a esta idea, y los equipos humanos de CIRCE y deI+D de Elcogas, tanto por la ayuda tcnica en tantos momentos como por losaos compartidos en el mismo barco. Omito nombres, aunque sintanse todosincluidos. No puedo omitir en cambio a Da. Sabina Scarpellini, artfice porms de una vez de que este trabajo llegara a su fin.

Por ltimo, gracias a mi padre por tantos y tan buenos consejos, porquesiempre y especialmente con motivo de la tesis ha alumbrado mi camino.


A Lola y Mara Luisa

Tabla de contenidos


Tabla de contenidos

TABLA DE CONTENIDOS..........................................................................................................................................9

CAPTULO 1 INTRODUCCIN ..............................................................................................................................13

1.1 Estado actual y perspectivas de la generacin elctrica............................................. 141.2 Concepto de monitorizacin y diagnstico de la operacin....................................... 241.3 Estado del arte en tecnologas de monitorizacin y diagnstico................................ 291.4 Justificacin y objetivos de la tesis........................................................................... 361.5 Contenido de la tesis................................................................................................ 38

CAPTULO 2 FORMULACIN DEL PROBLEMA DEL DIAGNSTICO ........................................................................41

2.1 Formulacin de problemas de inters en sistemas trmicos....................................... 422.1.1 Simulacin..................................................................................................... 452.1.2 Pruebas de rendimiento.................................................................................. 482.1.3 Reconciliacin de datos ................................................................................. 502.1.4 Optimizacin ................................................................................................. 53

2.2 Formulacin genrica del problema del diagnstico ................................................. 572.2.1 Formulacin del algoritmo para un caso de ejemplo: turbina de vapor ............ 612.2.2 Aplicacin prctica del diagnstico................................................................ 632.2.3 Integracin en un esquema de resolucin de propsito mltiple...................... 66

2.3 Perspectiva y comparacin con otros mtodos de diagnstico .................................. 682.3.1 Curvas de comportamiento............................................................................. 682.3.2 Simuladores ................................................................................................... 702.3.3 Comparacin del algoritmo de diagnstico con la Teora Estructural.............. 722.3.4 Tcnicas para el diagnstico cualitativo.......................................................... 79

2.4 Conclusiones ........................................................................................................... 81

CAPTULO 3 MODELO DE DIAGNSTICO EN UN CICLO COMBINADO ...................................................................83

3.1 Descripcin del ciclo combinado ............................................................................. 833.1.1 Ciclo combinado de C.T. GICC Puertollano................................................... 88

3.2 Modelo de turbina de gas......................................................................................... 983.2.1 Ciclo Brayton ...............................................................................................1003.2.2 Modelos auxiliares ........................................................................................1063.2.3 Aspectos de control de la turbina de gas........................................................1093.2.4 Alcance del diagnstico para la turbina de gas...............................................110

3.3 Caldera de recuperacin..........................................................................................1133.3.1 Modelo de transferencia................................................................................1143.3.2 Modelos auxiliares ........................................................................................1203.3.3 Aspectos de regulacin de la caldera .............................................................1223.3.4 Alcance del diagnstico para la caldera .........................................................123

3.4 Turbina de vapor ....................................................................................................1253.4.1 Modelo del proceso de expansin..................................................................1263.4.2 Condensador y sistema de refrigeracin ........................................................1283.4.3 Modelos auxiliares ........................................................................................1303.4.4 Aspectos de regulacin de la turbina de vapor ...............................................1333.4.5 Alcance del diagnstico para la turbina de vapor ...........................................133

3.5 Comportamiento termodinmico del ciclo combinado.............................................1353.5.1 Efecto de las condiciones ambientales ...........................................................1353.5.2 Efecto de las consignas de operacin.............................................................137

Tabla de contenidos


3.5.3 Efecto de los parmetros de los equipos ........................................................1383.6 Aplicacin del algoritmo de diagnstico al caso de trabajo......................................140

3.6.1 Variables, restricciones y seleccin de variables de diagnstico.....................1403.6.2 Aplicacin a sistemas multiproducto.............................................................143

3.7 Conclusiones ..........................................................................................................143

CAPTULO 4 TRATAMIENTO DE DATOS DE OPERACIN REAL ............................................................................145

4.1 Evaluacin de incertidumbre de la instrumentacin.................................................1464.1.1 Fundamentos de anlisis de incertidumbre ....................................................1474.1.2 Anlisis de incertidumbre de instrumentacin estndar..................................1484.1.3 Anlisis de la instrumentacin del ciclo combinado.......................................1534.1.4 Tratamiento de los datos ...............................................................................156

4.2 Mtodo de resolucin de pruebas de rendimiento....................................................1584.2.1 Estndares de pruebas de rendimiento...........................................................1584.2.2 Adaptacin de los estndares a un mtodo secuencial....................................164

4.3 Tcnicas de minimizacin de la incertidumbre global .............................................1664.3.1 Redundancia local de informacin ................................................................1694.3.2 Redundancia global de informacin ..............................................................1714.3.3 Criterios para la validacin del algoritmo de reconciliacin de datos .............175

4.4 Anlisis de sensibilidad ..........................................................................................1794.4.1 Comparacin de los mtodos de reconciliacin y resolucin secuencial.........1814.4.2 Incertidumbre en el diagnstico ....................................................................183

4.5 Conclusiones ..........................................................................................................184

CAPTULO 5 ANLISIS DE RESULTADOS ............................................................................................................185

5.1 Validacin del algoritmo de diagnstico .................................................................1865.1.1 Verificacin para variaciones sobre una variable independiente.....................1875.1.2 Verificacin para variaciones mltiples .........................................................197

5.2 Aplicacin en el anlisis de operacin.....................................................................2105.2.1 Diseo frente a datos reales...........................................................................2105.2.2 Prediccin del funcionamiento ......................................................................215

5.3 Anlisis sobre el histrico de operacin GICC ........................................................2265.3.1 Compresor y expansor ..................................................................................2265.3.2 Condensador y turbinas de vapor ..................................................................229

5.4 Conclusiones ..........................................................................................................233

CAPTULO 6 CONCLUSIONES.............................................................................................................................235

6.1 Sntesis...................................................................................................................2356.2 Aportaciones ..........................................................................................................2396.3 Perspectivas............................................................................................................243

ANEXO 1 NOTAS SOBRE LA TEORA ESTRUCTURAL .....................................................................................247

A1.1 Segundo Principio y coste exergtico......................................................................247A1.2 La estructura productiva .........................................................................................250A1.3 Formulacin matricial del clculo de costes ............................................................252A1.4 Aumento de coste de operacin y sus componentes .................................................256

ANEXO 2 LISTADOS Y ESQUEMAS .................................................................................................................259

A2.1 Esquema del Ciclo Combinado de ejemplo .............................................................259A2.2 Definicin de corrientes ..........................................................................................264A2.3 Listado de variables de diagnstico.........................................................................270A2.4 Instrumentacin......................................................................................................274

Tabla de contenidos


A2.5 Resultados completos para diseo frente a datos reales............................................279

REFERENCIAS .................................................................................................................................................... 297

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................................. 307

LISTA DE TABLAS............................................................................................................................................... 311

NOMENCLATURA................................................................................................................................................ 312


Captulo 1 Introduccin

Las grandes centrales elctricas basadas en recursos fsiles (carbn, gas natural oderivados del petrleo) se enfrentan en el momento actual a retos indiscutibles que hande ser necesariamente solucionados o encauzados en los prximos aos. Estasinstalaciones se ven cuestionadas desde el punto de vista medioambiental por susemisiones contaminantes, el consumo de recursos no renovables y la amenaza decambio climtico debido a la produccin de CO2 en cantidades no asumibles por laatmsfera. Segn el informe anual de la Comisin Europea de 1999, las emisionesmundiales de CO2 han aumentado un 8% desde 1990, de 17.761 millones de toneladasa 21.907 millones en 1997. Incluso el porcentaje de estas emisiones correspondientesal sector de generacin elctrica ha cobrado mayor relevancia, pasando de serresponsable del 28% en 1980 al 34% en 1996.

En contraposicin a su alta tasa de emisiones, las tecnologas de recursos fsiles sonms seguras y tienen mayor aceptacin que las nucleares. En la polmica nadie dudaque las energas renovables son las que presentan menor impacto local y global, y alargo plazo sobre el medio ambiente, pero por su propia naturaleza, tienen costesespecficos muy altos. Nuestra sociedad actual necesita un plazo de acomodacin,posiblemente de varios decenios, hasta alcanzar la sostenibilidad. Durante este perodolas energas fsiles seguirn jugando un papel primordial, y especialmente el gasnatural en el corto plazo y el carbn en el medio plazo, necesitadas de un granesfuerzo de desarrollo tecnolgico para mejorar su comportamiento medioambientalmientras permiten un coste de la energa razonable para mantener el crecimientoeconmico. La monitorizacin del funcionamiento, aprovechando la revolucin de lastecnologas de la informacin, es uno de los pilares fundamentales para lograr elobjetivo.

Esta tesis presenta un mtodo aplicable a la monitorizacin del funcionamiento desdeun enfoque riguroso, como se espera de un trabajo de investigacin, mas no perdiendode vista el objetivo primordial, y es que sea prctico y aplicable en la realidad. De ahel ttulo que marca los objetivos. El mtodo de diagnstico est concebido para guiaren la comprensin de los fenmenos fsicos dando pautas para mejorar la eficiencia,por lo cual se enmarca dentro de las tcnicas de la Termoeconoma. La mejora de laeficiencia en la operacin real debe de enfocarse desde una ptica distinta a si setratase de un anlisis o sntesis en el plano terico. El tratamiento de los datos deinstrumentacin de planta es uno de los pilares tericos fundamentales de este trabajo,pero el principal desde el punto de vista del xito de los resultados. Por ltimo, hayque destacar que el caso de ejemplo es un ciclo combinado; por tanto, la tecnologams actual, el primero de su tamao en Espaa y pionero en el mundo por formarparte de la central GICC Puertollano, proyecto de demostracin europeo sin parangnen su gnero.

Introduccin


Este primer captulo pretende enmarcar los condicionantes que guiarn el desarrolloposterior. En primer lugar, justificar la necesidad de la monitorizacin delfuncionamiento desde la perspectiva del productor. Posteriormente se define qu es lamonitorizacin y qu se entiende por diagnstico para, por ltimo, dar una visin delos antecedentes que ya existen en cuanto a productos en fase comercial paramonitorizacin de plantas de potencia. El captulo termina con la declaracin de lajustificacin y objetivos de la tesis, y la estructura expositiva del trabajo.

1.1 Estado actual y perspectivas de la generacin elctrica

La disponibilidad de energa elctrica es uno de los ms claros indicadores deldesarrollo y de hecho se emplea como indicador de crecimiento econmico. Lademanda mundial de electricidad est creciendo rpidamente en los ltimostiempos, a un ritmo de un 2,7 % anual entre 1980 y 1997 (Directorate General forEnergy, 2000) y se espera un crecimiento del 1,8 % hasta el 2020 (DOE, 2000). Pasesy regiones en rpido crecimiento econmico como China, India, Amrica del Sur yCentral, o el Sudeste asitico presentan un crecimiento proporcional en la demanda deelectricidad, de hasta el 5% anual. Los pases occidentales siguen aumentadolentamente la produccin (un 1% en 1999 en la Unin Europea) debido alestancamiento de la poblacin y a que las nuevas aplicaciones de la electricidad, enordenadores y electrnica, son menores consumidoras de energa.

Figura 1.1: Evolucin del porcentaje de crecimiento del producto interior bruto, consumo de energa ypoblacin en los EEUU (fuente Annual Energy Outlook 2001, DOE).

En cuanto a las fuentes primarias de energa, se espera que el porcentaje departicipacin de las fuentes fsiles se mantenga para dar paso previsiblemente afuentes renovables en un medio plazo, con cada vez menos probabilidades para laenerga nuclear. En 1997, ao en que la produccin mundial de electricidad encentrales nucleares disminuy por primera vez en la historia, haba 3.133 GWe decapacidad instalada en todo el mundo, de los cuales 2.046 tenan origen trmico, 733hidroelctrico y slo 354 nuclear. La tendencia es al estancamiento de la nuclear por elfuerte rechazo social y las grandes inversiones necesarias, y el aumento lento y casi

Estado actual y perspectivas de la generacin elctrica


constante de la hidroelctrica, de forma que las centrales trmicas deben absorber elaumento coyuntural de la demanda.

Figura 1.2: Porcentaje mundial de fuentes primarias de la electricidad (Fuente: Annual Energy Review,Comisin Europea)

Figura 1.3: Porcentaje de fuentes primarias de la electricidad de origen trmico (Fuente: Annual EnergyReview, Comisin Europea)

La expansin del gas natural como fuente de energa primaria ha sido la clave en laltima dcada, con un aumento promedio del 11% anual, que an podra ser mayorcon infraestructuras de distribucin ms extensas. Se observa en la siguiente figuraque la participacin del gas natural como fuente de energa en la generacin elctricagana posiciones, nicamente superada por el carbn, recurso ms repartido a escalamundial y consumido como fuente autctona en muchos pases. Se espera que el

Introduccin


porcentaje de generacin a partir de gas en ciclos combinados en Europa alcance el30% hacia el 2020 (Directorate General for Energy, 1996).

En Espaa, el crecimiento de la demanda en el ao 2000 ha sido de un 6,96%, una vezcorregidos los efectos de laboralidad y temperaturas, que se explica por el crecimientoeconmico paralelo (desde el ao 1997, a un ritmo superior al 5% anual). El ao 2000marc mximos histricos de produccin (195,8 TWh) y de potencia requerida (33,2GW el 26 de enero de 2000 frente a 29,4 GW el 9 de diciembre de 1998). Losmximos de potencia todava se localizan en invierno, aunque los mximos de veranose acercan cada vez ms por la creciente implantacin de sistemas de climatizacin.

La estructura de la produccin aparece equilibrada con un 35% de origen nuclear, unporcentaje variable de hidroelectricidad segn la climatologa, y una base de carbn.La produccin con fuel, en declive, se reserva a picos de demanda, y el gas tienetodava poca presencia en el mercado de produccin. En el ao 2000, la produccincon gas supuso nicamente el 2,5% del total. Por otra parte los intercambios con otrospases no juegan un papel relevante, dado que el pequeo dficit de aproximadamenteel 3% se cubre prcticamente con la importacin desde Francia (de una nicacompaa, EDF) limitada por la saturacin de las conexiones y el bloqueo de laconstruccin de nuevas lneas. No obstante la aparente condicin geogrfica de isla dela pennsula, este intercambio es de un orden de magnitud similar a los que seproducen entre otros pases europeos, a excepcin de los escandinavos, que forman unmercado elctrico conjunto.

Figura 1.4: Estructura de la produccin en Espaa en el mercado de produccin (Fuente: Red ElctricaEspaola)

La potencia instalada del parque de produccin en rgimen ordinario no creceostensiblemente (140 MW en 1999 sobre un total de 43.662), aunque no ocurre lomismo con el cubierto por el rgimen especial (cogeneradores y renovables), con un20% de incremento en el mismo perodo (aproximadamente 1.000 MW). Este lentocrecimiento de la potencia contrasta con el vertiginoso ascenso de los consumosmximos, con el consecuente estrechamiento de margen, situado en 1999 en un 40%,27 puntos por debajo del que haba en el ao 1997. Aunque no se puede hablar deriesgo de desabastecimiento, s que es necesaria la ampliacin del parque. Laestructura de la potencia instalada es bastante distinta a la de la produccin, ya que el



56% de la potencia instalada (hidrulica o fuel) genera solamente el 20% de laenerga, en punta de demanda o en perodos hmedos.

Figura 1.5: Estructura de la capacidad en Espaa a 31 de diciembre de 2000 (Fuente: Red ElctricaEspaola)

Debido a la previsible limitacin en la produccin y a pesar del amplio margen aunexistente, se han multiplicado los proyectos de nuevas grandes instalaciones, en lagran mayora ciclos combinados con gas natural. En junio de 1998 el Ministerio deIndustria y Energa tena en trmite autorizaciones para la construccin de centrales deciclo combinado que sumaban 5.000 MW, y haba estudios para otros 7.000 MWadicionales (Infopower 1999, Infopower 1999a). Slo en el entorno de Aragn hayprevistas tres centrales que suman 2.000 MW en Osera, Sstago y Castelnou.

Figura 1.6: Proyectos de nuevas centrales de ciclo combinado, estado de junio de 1999 (Fuente: CincoDas)

Introduccin


La tendencia en el mercado elctrico a escala mundial sigue siendo la liberalizacinde mercados, siguiendo criterios de introducir competencia, o bien por las ventajas acorto plazo de vender activos a empresas extranjeras, criterio seguido en muchospases latinoamericanos. Segn la Directiva Europea 96/92/CE, se debe estructurar elsector elctrico, hasta hace poco monoltico, en cuatro negocios contablementeseparados: generacin, transporte, distribucin y comercializacin. Se garantiza elacceso de los usuarios o clientes, antes cautivos por su ubicacin geogrfica, a la libreeleccin de su suministrador.

El mercado espaol de la generacin elctrica se configura como un mercado encompetencia, a raz de la Ley 54/1997 de Sector Elctrico. A finales de 1999, un 46%de la demanda se encontraba liberalizada, al quedar cualificados para escogersuministrador todos los consumidores de ms de 1 GWh anual. El 1 de julio de 2000,optaron a la cualificacin los suministros a una tensin superior a 1 kV, y por el Real-Decreto Ley 6/2000 de 23 de junio, se adelantaba la fecha de apertura completa al 1 deenero de 2003. Desde el punto de vista del usuario final, si est cualificado puedecomprar el servicio de una compaa distribuidora o comercializadora, o directamenteen el mercado de produccin o por contratos bilaterales con productores. Los clientesno cualificados quedan supeditados al suministro por medio de su distribuidora local ycon precios regulados por tarifa.

Entre la demanda y la oferta se configuran unos mecanismos que permiten conciliar lalibre competencia en la generacin con la exigencia de seguridad y calidad en elsuministro. La Ley del Sector Elctrico establece, adems, la separacin entre lagestin econmica y la gestin tcnica del mercado elctrico, responsabilidadesencomendadas respectivamente al operador del mercado, OMEL, y al operador delsistema, Red Elctrica Espaola (REE), que quedan reflejadas en el llamado mercadode produccin. El proceso de programacin de la produccin sigue varios pasos:

Cada hora, REE publica una previsin de demanda peninsular para que sirvacomo referencia a los agentes para formular sus ofertas.

Dos horas antes del cierre del mercado diario actual, REE publica la previsin dedemanda peninsular para el da siguiente, para que los agentes que deseen participarpresenten ofertas de compra o venta de electricidad. Con las ofertas de produccin, eloperador del mercado adjudica la potencia ofertada desde el precio ms bajo enadelante, hasta que cubre dicha demanda esperada. El precio al que ofertaba el ltimoagente admitido es el precio de casacin, al cual se retribuye toda la generacinsimultnea. Como resultado de este proceso se elabora el programa diario base. A suvez, el operador del mercado incluye las transacciones no sujetas al sistema de ofertas(contratos bilaterales y produccin en rgimen especial).

REE abre a continuacin los mercados de operacin, de los cuales resulta elprograma viable. Se trata de solventar los posibles problemas de seguridad delsuministro: restricciones tcnicas y regulacin secundaria. Las restricciones tcnicasobedecen a los imbalances geogrficos entre produccin y consumo, como el caso delmayor consumo de potencia reactiva en la costa mediterrnea durante la poca estival.Los servicios complementarios de regulacin secundaria sirven para garantizar elequilibrio entre generacin y demanda, y estn retribuidos tanto por disponibilidad(banda) como por utilizacin del servicio (energa). Por ejemplo, en el trnsito al ao2000, se retribuy la disponibilidad de potencia a su mximo precio histrico: 10,5pta/kW.



A lo largo del da se abren seis mercados intradiarios, gestionados por el operadorde mercado, cuya finalidad es permitir a los agentes ajustar su previsin de demanda osu capacidad real de produccin (por problemas en sus instalaciones). El programahorario resultante tambin ha de cumplir los criterios de seguridad. El volumen de laenerga gestionada en el conjunto de los intradiarios representa solamente un 5% delmercado diario, siendo la primera sesin la de mayor volumen.

Entre las seis sesiones intradiarias aun pueden aparecer desajustes entre lageneracin y la demanda, que han de ser solventadas por REE mediante las subastasde regulacin terciaria o la gestin de desvos (ste ltimo es otra oportunidad dereajuste para los agentes despus del cierre de cada intradiario, o en el caso de queocurran indisponibilidades importantes en el parque de generacin).

Cada uno de los mercados contribuye al precio total del mercado de produccin. Laparte fundamental del precio la constituye la subasta del mercado diario, mientras quelos de operacin suelen aadir unos pocos puntos porcentuales. No obstante, el preciode solventar las restricciones tcnicas es elevado, y se sita en unas 11 pta/kWh, dadoque representan incrementos de produccin fuera del precio de casacin. Los restantesservicios, de coste especfico alto, siguen acumulando coste al precio final. En 1999 elprecio medio del mercado diario fue de 4,45 pta/kWh (mnimos y mximos horariosde 1,45 y 8,58), mientras que las transacciones en los intradiarios resultaron en unadisminucin del coste en 0,02 pta/kWh. Los mercados de operacin aadieron 17cntimos al precio: 8 por resolver restricciones tcnicas, 3 por la banda de regulacinsecundaria y otros 6 por energa. Sumando 1,25 pta/kWh de retribucin de la garantade potencia se elev el precio medio hasta 5,85 pta/kWh. En cuanto a volumen deenerga contratada, 162.000 GWh lo fueron en el mercado diario, 3.700 en losintradiarios y slo un neto de 286 en los de operacin. El ao 2000 ha visto unaumento de los precios hasta las 6,51 pta/kWh, cifra un tanto engaosa, dado que endiciembre del mismo ao se asisti a una cada espectacular de los precios, por debajodel umbral de las 5 pta/kWh, pero con variabilidades horarias extremas: 0,86 pta/kWhel domingo 10 a las 9, y 12,53 el mircoles 20 a las 19 horas. La incertidumbre sobrela dinmica del establecimiento de precios en el futuro abre nuevas posibilidades decompetitividad a los gestores de las plantas de produccin.

Esta dinmica de precios no aplica a los productores en rgimen especial(cogeneracin y energas renovables), que se acogen a precios regulados, en realidadreferenciados a los del mercado de produccin complementados por un incentivodiferente dependiendo del tipo de instalacin (Real Decreto 2818/1998 de 23 dediciembre), de manera que se favorezca la eficiencia energtica y las fuentes deenerga renovables, menos contaminantes y autctonas. Las instalaciones que sepueden acoger al rgimen especial siguen manteniendo unas expectativas de retornode inversin solventes, aunque con unas expectativas de retribucin a la baja. Encambio, las grandes centrales dirigidas a la generacin y vertido en la red elctricanacional, que concursan en el comentado rgimen de competencia, deben contar con laincertidumbre del precio de casacin del mercado, muy dependiente de lahidraulicidad o rgimen pluviomtrico particular del ao. No hay que olvidar que lascentrales trmicas de combustibles fsiles juegan en desventaja, dado que las centralesnucleares siempre ofertan a precio cero (carecen de maniobrabilidad), y que losproductores en rgimen especial siempre tienen prioridad.

Otras oportunidades se divisan en la evolucin del sector, siendo la ms importante laliberalizacin del mercado del gas natural (Directiva Europea 98/30/CE). Esto puede

Introduccin


suponer la irrupcin de las compaas petroleras y gasistas en el sector de lageneracin de electricidad, aunque brinda la oportunidad a las elctricas de alianzas ycontratos que permitan acceder a las reservas de gas a precios competitivos. En el casode la liberalizacin en el Reino Unido, el ms avanzado de la Unin Europea, se haconfigurado un mercado integrado de commodities1, en el que se intercambianelectricidad, gas y agua. Las propias unidades de generacin, con su jefe de turno deoperacin al frente, toman decisiones del tipo de o producir electricidad o vender elgas natural no consumido, en funcin de los precios que tomen los respectivosproductos. Esto provee de un dinamismo inusual al sector, en el que tienen cabidaempresas con alta iniciativa y sobre todo capacidad de gestin del riesgo.

A las tendencias reseadas de maximizar la rentabilidad y flexibilidad en laexplotacin hay que aadir los criterios de respeto medioambiental, en los que lasemisiones e inmisiones deben de reducirse lo ms posible. La tecnologa que en estosmomentos verifica al mximo todas las premisas es el ciclo combinado de turbina degas y turbina de vapor quemando gas natural:

La eficiencia alcanza las cifras ms altas: hasta el 60% de rendimiento elctricocon la ltima generacin de turbinas de gas, con tendencia al alza. En contraposicin,los ciclos Rankine supercrticos superan el 45% de eficiencia con combustibles debajo rango. La nueva central Niederaussen K ofrece en diseo 45,2% de eficiencianeta con condiciones de vapor vivo de 260 bar y 580 C, y se espera que el uso dealeaciones de nquel permita superar la barrera del 50% (Kather 2000).

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Temperatura mxima [C]

Efi

cien

cia

[%]

Eficiencia de Carnot

Carbn pulverizadoLecho fluido

Ciclo Combinado TG & TV

Turbina de gas

GICC

Otros conceptos de CC

Figura 1.7: Eficiencias segn tecnologas.

Las emisiones quemando gas natural son las ms bajas para la generacin trmicafsil, sin necesidad de equipamiento adicional. Virtualmente libre de partculas y dexidos de azufre, mientras que para los xidos de nitrgeno es posible mantenerlossobre 310 mg/kWhel (Haupt, 2000). En comparacin, para carbn pulverizado con

1 Commodity: una unidad intercambiable de valor econmico, especialmente un producto primario o en bruto.



desulfuracin y reduccin de xidos de nitrgeno son 555 mg/kWhel de SOx y 555mg/kWhel de NOx, cifras que se encuentran en 319 para lecho fluido, y se reducen a134 y 269 para GICCs (cifras al 6% de O2). Los avances en tecnologas de combustinpermiten mantener bajas las emisiones de NOx incluso sin adicin de vapor o aguamediante combustin escalonada (Kehlhofer, 1991, Willis, 2000). Las emisiones deazufre son tan bajas por las caractersticas del combustible, sin apenas azufre en sucomposicin.

Las inmisiones de dixido de carbono son tambin las ms bajas paracombustibles fsiles (aproximadamente 400 g CO2/kWhel), debido en parte a la altaeficiencia conseguida, pero tambin a la composicin del gas natural,mayoritariamente metano. En la combustin de un mol de metano se producen un molde CO2 y dos de agua, mientras que la proporcin se invierte en el caso del carbn(para lignito son 950 g CO2/kWhel y 750 g CO2/kWhel para hulla).

Es una tecnologa madura, que se refleja en costes especficos de instalacinbajos: 370 /kW frente a los 3.000 de una central nuclear (incluyendodesmantelamiento), los 900 de carbn pulverizado avanzado, y los 2.000 de las plantasde demostracin GICC. En los costes de la electricidad producida con cicloscombinados, el combustible es la parte ms importante.

Figura 1.8: Previsin de los costes de la electricidad producida en milsimas de dlar por kWh paradiferentes tecnologas (fuente: DOE)

El plazo de ejecucin de una nueva central ronda los dos aos desde laadjudicacin.

La modularidad del concepto del ciclo combinado permite mltiplesconfiguraciones posibles para adecuarse a la potencia requerida y a los patrones deoperacin (carga base, punta). Incluso es la mejor opcin para la renovacin demuchas centrales existentes, dado que se aprovechan la turbina de vapor y los sistemasauxiliares. El rango de potencia de ciclos combinados comerciales va desde unospocos kW (microturbinas) hasta los 1.000 MW.

Introduccin


El informe de la Direccin General de Energa de la Comisin Europea EuropeanEnergy to 2020, a Scenario Approach, espera que entre el 30 y el 45% de las nuevasinversiones sean en ciclos combinados hasta el horizonte del ao 2020. De lacapacidad del ao 1992 en la Unin Europea, cifrada en 526 GWe, est planificadodesmantelar 293 GWe. Dentro de los cuatro escenarios analizados (convencional,campo de batalla o de bloques, globalizacin, y foro o de cooperacininternacional), cada cual con una previsin distinta de crecimiento, en todos ellos elciclo combinado representa una opcin adecuada para el reemplazo y la ampliacin depotencia. As, en los escenarios convencional y de globalizacin se prevn 159 y 220GWe basados en ciclo combinado (un 35% de las nuevas plantas), debido a su altarentabilidad econmica. En el escenario de campo de batalla, dirigido a adoptarsoluciones conservadoras, la previsin es de una por cada cuatro nuevas plantas, por lamadurez de la tecnologa. Mientras, la concienciacin medioambiental pesa en elescenario foro, as que tambin un 25% de las centrales nuevas sern a partir de gasen ciclos combinados de alta eficiencia (141 GWe). Dichas eficiencias, de hasta el60%, sumadas a los costes bajos de inversiones, pueden dejar fuera del mercado aotras tecnologas, como las pilas de combustible, dentro de los horizontes que semanejan.

Segn el Departamento de Energa de los Estados Unidos, en su Annual EnergyOutlook 2001, se espera que hasta el 2020 en EEUU se pongan en funcionamiento 393GWe en nuevas plantas, tanto para atender el previsible crecimiento de la demandacomo para sustituir a las nucleares en cierre2, lo cual significa unas 1.300 plantas de300 MW. El 92 % de dicha potencia se cubrir con ciclos combinados o turbinas degas, usando gas natural como combustible. La progresiva liberalizacin y consiguienteintroduccin de competencia en el sector permitirn que el precio de la energa bajeincluso con escenarios de precios de gas al alza.

2005 2020Carbn Ciclo

CombinadoCarbn Ciclo

CombinadoCoste en milsimas de dlar (1999) por kWh

Capital 31,08 11,87 30,44 10,60O&M 4,28 1,90 4,28 1,90

Combustible 7,84 27,86 6,49 25,18Total 43,20 41,63 41,22 37,68

Consumo especfico en kcal/kWh2330 1673 2290 1600

Tabla 1.1: Comparativa de costes y consumo especfico de las plantas de carbn y degas (fuente: DOE)

Los costes de generacin son por lo tanto muy dependientes de la disponibilidad degas natural barato, condicionante geoestratgico. As, los pases productores depetrleo, con enormes reservas de gas natural con dificultades de comercializacin,optan por la generacin exclusivamente a partir de gas, mientras que en otros, elporcentaje de participacin del gas se mantiene reducido segn la ventana deoportunidad que marque la estructura de precios.

2 En horizontes superiores al 2020 existe una duda sobre una desaparicin total o un resurgimiento de la opcinnuclear (MPS, 1996)



No obstante, el ciclo combinado habitual puede quemar otros combustibles, comoderivados del petrleo (gases o lquidos), lo que le confiere una mayor flexibilidadpara ser integrado en complejos qumicos o petroqumicos. An ms, la esperadamadurez de las tecnologas de gasificacin de carbn y residuos slidos (coque depetrleo, biomasa, residuos urbanos) permitirn en un medio plazo rentabilizarinstalaciones GICC e incluso renovar ciclos combinados a gas natural incluyendo unaunidad de gasificacin aguas arriba. Las primeras experiencias GICC orientadas a lademostracin de la tecnologa3, sientan la base para la generacin GICC a gran escala.El precio ascendente del gas natural y el descendente en el precio de instalacin delkW GICC marcar el salto tecnolgico, posiblemente en fechas tan prximas comoentre los aos 2003 a 2005 (Pisa, 1996). El ciclo combinado de turbina de gas yturbina de vapor presenta otras opciones futuras gracias a sus ventajas en laintegracin de procesos por su capacidad de aprovechar fuentes de calor a distintastemperaturas. Por ejemplo, la integracin de las GICC en complejos qumicos conmultitud de productos y subproductos, o la integracin en esquemas con clulas decombustible, donde el ciclo combinado recuperara el calor de baja temperatura(Haupt, 2000).

Figura 1.9: Integracin del concepto GICC (fuente: Haupt, 2000)

En conclusin, competencia en la generacin y tecnologa de ciclos combinados sonlas pautas para los prximos veinte aos aproximadamente. En este trabajo se ana lareflexin sobre cmo detectar las oportunidades para una explotacin ms eficiente,rentable y medioambientalmente asumible, con la aplicacin prctica sobre un casoexistente, con datos de operacin real. El ciclo combinado de la central GICC

3 Demkolec en Holanda (1994, 466 MW trmicos de gas sinttico), Elcogas en Puertollano (1998, 300 MWel y msde 1500 GWh producidos en gasificacin hasta finales del ao 2000), o SARLUX en Cerdea (2000, 512 MWel),por citar las ms relevantes.

Introduccin


Puertollano de ELCOGAS es el caso de trabajo a lo largo de la tesis. Fue el primerciclo combinado grande (300 MW) en la pennsula, junto con el de Santurce (377MW), mientras que el resto de ciclos combinados se encuentran en aplicaciones decogeneracin, de potencias mucho menores. Su peculiar diseo para una integracincompleta con el proceso de gasificacin, provee de unos grados de libertad y ciertaslimitaciones distintas a una configuracin habitual, que merece la pena analizar endetalle.

Figura 1.10: Integracin de un ciclo combinado con clula de combustible.

1.2 Concepto de monitorizacin y diagnstico de la operacin

La supervivencia en un entorno de produccin liberalizado induce a utilizar toda lainformacin disponible que permita tomar una ventaja competitiva. En el sectorelctrico, la monitorizacin de las plantas de generacin ha cobrado una granrelevancia en la ltima dcada, hecho atestiguado por la aparicin de empresas yproductos industriales dedicados especficamente a estos temas, y por la publicacinpor parte de ASME de una gua para la monitorizacin del funcionamiento de plantasde potencia (ASME PTC-PM 1993).

Para empezar, se reconocen dos grandes grupos de tcnicas de monitorizacinaplicadas a plantas de generacin (Ruijter, 1994): las llamadas de condicintermodinmica (Thermodynamic Condition Monitoring Systems, TCMS), y decondicin mecnica (Mechanical Condition Monitoring Systems, MCMS). Las

Concepto de monitorizacin y diagnstico de la operacin


primeras se basan en la degradacin de la eficiencia por medicin de las variables delproceso y apoyndose en las relaciones termodinmicas entre stas, de manera que susresultados son del tipo de mejora de eficiencia, reduccin de coste de combustible oprdida de potencia. Por otro lado, las tcnicas de condicin mecnica tratan deidentificar el estado mecnico de los equipos, para prevenir fallos mecnicos yaumentar la disponibilidad. Una de las ms conocidas es la medicin de vibraciones.MacIsaac (1981) ofrece una buena comparativa aplicado a turbinas de gas entremonitorizacin termodinmica y condicin mecnica, y algunos mtodos empleadospor sta: registro de vibraciones y anlisis acstico; anlisis de contaminantes enaceites, por procedimiento de anlisis espectromtrico de aceite (SOAP), detectoresmagnticos, o ferrografa; registro de temperaturas En lo sucesivo, se hablargenricamente de monitorizacin del funcionamiento entendida como de condicintermodinmica (performance monitoring), mientras que la condicin mecnica quedafuera del alcance de este trabajo.

Segn la gua ASME PTC-PM, se define la monitorizacin del funcionamiento comoun esfuerzo global a largo plazo para medir, sostener y mejorar la eficiencia trmica,capacidad, costes de produccin, y planificacin del mantenimiento de la planta.Partes fundamentales de este proceso son el personal cualificado, la instrumentacin,el medio de adquisicin de datos y las diferentes tcnicas interpretativas. En principiola monitorizacin, entendida como un propsito continuado, puede variar desdepruebas de rendimiento peridicas de ciertos equipos hasta un proceso continuo queabarque toda la planta. La tendencia actual de las tecnologas en este campo es haciaaplicaciones altamente integradas con los sistemas de informacin en lnea de lasempresas, en gran parte debido a la asimetra entre costes de personal y de equipos deproceso de datos, y a la difusin de las tecnologas de la informacin a escala global.Por otro lado, la cultura empresarial imperante juega un papel primordial en lainiciativa de implementar sistemas de monitorizacin, especialmente cuando el retornode la inversin no se puede evaluar de forma objetiva. La decisin de implementar unsistema de monitorizacin trasciende al hecho de estudiar las ofertas y lasespecificaciones de los productos en el mercado, sino que exige una clara vocacindesde la direccin, que debe estar involucrada en el seguimiento de los objetivosperseguidos. Normalmente, una vez conseguidos los objetivos de disponibilidad de lascentrales, la conviccin de los gestores de que se puede mejorar la eficiencia, elconocimiento de experiencias similares y la identificacin de las reas de mejoraimpulsan definitivamente el establecimiento de un programa de monitorizacin delfuncionamiento (Otero, 1999).

Los programas de monitorizacin pueden tener tres funciones distintas para unagestin energtica eficiente (Corts, 1992):

Auditora energtica en continuo, cuyo objetivo es proveer de parmetroscoherentes a los operadores que les permitan interpretar las variaciones a corto plazodel proceso, esto es, una monitorizacin continua de la eficiencia energtica relativa,dado que es ms relevante si sta aumenta o disminuye, ms que el valor absoluto ens mismo.

Auditora energtica peridica, enmarcada dentro de las prcticas corporativas,como los partes diarios, semanales, mensuales de produccin y funcionamiento decada uno de los equipos principales o sistemas.

Introduccin


Pruebas de rendimiento, de carcter ms estricto, con el objeto de conseguirvalores absolutos precisos del funcionamiento. Requiere normalmente deinstrumentacin especialmente calibrada y la aplicacin de estndares rigurosos en suejecucin.

La mejora de la eficiencia es el objetivo genrico que se plantea al implementarcualquier mtodo de monitorizacin, o, dicho de otro modo, la deteccin de ladesviacin en el rendimiento y el diagnstico de las causas de dicha desviacin. Laforma tradicional de localizar dicho empeoramiento es mediante la observacin de lasprdidas, en trminos genricos, clasificadas en controlables y no controlables,segn el grado de interaccin del operador. Una desviacin del 3% suele ser advertidapor el operador (Gay, 1999), por lo que el objetivo de los sistemas de monitorizacines responder ante desviaciones mucho menores, del rango del 0.25 a 0.5 %. Disminuireste lmite se antoja complicado debido a la incertidumbre de la instrumentacin. Porotra parte, tampoco es realista pretender localizar y causalizar todos los efectos quesimultneamente se pueden producir, debido la gran complejidad de las interrelacionesentre los componentes de un ciclo de potencia. De este hecho surge el concepto deprdidas contabilizadas y no contabilizadas. Un procedimiento exitoso de localizacinde prdidas debe reducir al mximo el ultimo trmino.

Adems, un adecuado proceso de diagnstico debe cumplir ciertas propiedades segnPTC-PM, tales como tener una naturaleza deductiva basndose en los sntomasobservados, tener cierto grado de flexibilidad, recomendar anlisis o pruebas ptimaspara continuar aislando la causa, y, adems, enjuiciando si dichas pruebas sonefectivas en coste. Varios pasos son comunes a todas las metodologas posibles, comoson:

Identificacin de los componentes y los sntomas de degradacin.

Descripcin de dichos sntomas de manera que diferencien el problema demanera unvoca.

Postular los mecanismos de deterioro o degradacin, y por ltimo, la causa raz.

Validar y verificar la conclusin.

Como resultado de un proceso de diagnstico se pretende dar recomendacionesespecficas en cambios en la operacin, en acciones de mantenimiento, modificacionesen equipos o incluso reemplazar equipos. Aun con todo, un sistema de monitorizaciny diagnstico en continuo produce una cantidad ingente de informacin. Un sistemaefectivo debe convertirla a un formato adecuado a la toma de decisiones a los distintosniveles, obedeciendo al principio de que los datos deben de ponerse en las manos delas personas que puedan actuar sobre ellos (ASME PTC-PM):

Los operadores de planta necesitan datos en tiempo real relativos a los parmetrossobre los que tienen control.

El analista de resultados requiere de datos histricos, tanto brutos comoparmetros del funcionamiento.

Los ingenieros de mantenimiento necesitan informacin para establecer lasprioridades en su planificacin.

Concepto de monitorizacin y diagnstico de la operacin


Por ltimo, a la alta direccin hay que proveerla de informes que consistan entendencias, resmenes mensuales, porcentajes de reduccin de coste y cumplimientode los objetivos de mejora.

Segn lo enunciado anteriormente, un proceso de diagnstico de operacin en elestado del arte actual requiere de un sistema de monitorizacin en lnea que le proveade datos validados y coherentes. Tambin es necesario establecer una referencia conla que comparar. El estado de referencia no es nico, sino que depende del alcance yutilidad del propio diagnstico:

En unas pruebas de aceptacin, la referencia ser el diseo garantizado por elsuministrador, adaptado a las condiciones ambientales del da de la prueba.

En unas pruebas de rendimiento posteriores, se puede tomar la prueba deaceptacin como referencia, o un simulador adaptado a la misma.

Para una prueba de rendimiento despus de una parada programada parainspeccin y reparaciones, se deber tomar como referencia la ltima prueba derendimiento anterior a la parada.

En el caso de evaluar el funcionamiento a cargas parciales, se debe emplear unaprueba de rendimiento anterior considerada como ptima, o un simulador concapacidades de prediccin fuera de diseo.

Como resultado de la comparacin se determinan:

Desviaciones en un conjunto de parmetros relevantes, escogidos a priori, quecaracterizan el funcionamiento de los equipos individuales y de la planta, tal comotemperatura de salida de turbina de gas, presin en el condensador, presin antevlvulas de turbina de vapor, o rendimientos isoentrpicos de turbomquinas.

Desviaciones en los objetivos de coste definidos, que pueden expresarse de formaequivalente en cuanto a coste de produccin, coste especfico de producto, o consumoespecfico.

Como conclusin de todo lo anterior el problema del diagnstico se podra plantear deuna manera intuitiva como: determinar en qu cantidad de la desviacin en coste esresponsable cada desviacin en un parmetro del funcionamiento. Unaaproximacin puramente cualitativa que nicamente intente localizar la causa ltimade degradacin no podr cuantificar en trminos econmicos, lo cual no permiteestablecer un ptimo econmico si la degradacin se puede corregir mediante accionesde mantenimiento.

Introduccin


Condicionesambientales

Estrategia deoperacin

Indicadores deComportamiento

de Equipos

Aumento odisminucin de Eficiencia Coste Capacidad

PerformanceMonitoring yDiagnstico

Termoeconmicode 2 Ppio

ConditionMonitoring

Comparacin conreferencia

Decisin a nivel deO&M

Potencial demejora enoperacin

Prdidainevitable

Variacin en:

Incertidumbreen medidas y

resultados

Coste deaccin

correctiva

RECOMENDACIONES

Figura 1.11: Esquema del problema de diagnstico.

Los parmetros sobre los que se diagnostica deberan de ser causas ltimas en algnsentido. Est claro que una degradacin de la capacidad de transferencia de calor, porejemplo, slo ocurre por medio de algn proceso fsico o qumico tal comotaponamiento de tubos o ensuciamiento de las superficies. Por tanto, es convenientedeterminar un lmite en la bsqueda de la causa raz, que puede venir motivado por:

Fenmenos observables mediante la instrumentacin existente.

Nivel de modelizacin de los procesos fsicos: existe una frontera en ladiscretizacin del sistema trmico estudiado que marca el paso de una modelizacintermodinmica a una fluidodinmica. En esta ltima la validacin de los modelos nopuede basarse en la instrumentacin normalmente disponible en una instalacin queno sea experimental. Por ejemplo, una turbina de vapor se podra considerar como unsolo proceso de expansin de un fluido en una aproximacin termodinmica, mientrasque una modelizacin fluidodinmica requerira de un modelo etapa por etapa.

Nivel de toma de decisiones: alertar sobre el coste de la degradacin genrica deun equipo puede ser informacin suficiente para considerar un anlisis ulterior paradeterminar la causa raz, que requiera de mediciones o equipamiento especfico yoneroso.

Como se aprecia de esta argumentacin, existen la motivacin y los medios para eldesarrollo de sistemas de monitorizacin y diagnstico de la operacin, aunque seplantean cuestiones como la eleccin de los parmetros de diagnstico y el nivel de lacausalizacin, y especialmente el mtodo de cuantificar la degradacin en trminoseconmicos y de eficiencia.

El paso siguiente al diagnstico de la operacin es la optimizacin de la mismarespecto de la funcin objetivo beneficio. Aunque el beneficio econmico es el

Estado del arte en tecnologas de monitorizacin y diagnstico


principio sobre el que se basa la actividad empresarial, cabe destacar dosaproximaciones:

Bsqueda del equilibrio entre prdida de eficiencia por degradacin y costes demantenimiento, en los que existe un ptimo econmico de frecuencia de las accionesde mantenimiento. Se dispone de bastantes ejemplos de estas situaciones, como sonlos lavados en lnea y fuera de lnea del compresor, reposicin de filtros, inspeccionesde turbinas de gas y vapor, y soplado en calderas de carbn. Esta aproximacin esvlida en cualquier contexto de mercado, con mayor o menor ponderacin delconcepto de disponibilidad (Ver Valero, 1996a, Corts, 1993, Williams, 1981).

En situaciones de mercados liberalizados, con retribuciones variables en eltiempo e incluso inciertas, el objetivo que se busca es maximizar puntualmente ladiferencia entre retribucin y coste de generacin, con situaciones posibles de elevarla produccin a costa de la eficiencia en momentos de precios altos, y en cambiodecidir no producir cuando los precios sean bajos (Lozano, 1997, Griffin, 1999).

1.3 Estado del arte en tecnologas de monitorizacin y diagnstico

Las tecnologas de monitorizacin y diagnstico han alcanzado la madurez suficientecomo para tener entidad propia dentro de la informtica industrial en el sectorenergtico. Varias empresas lideran el mercado de sistemas de apoyo a la toma dedecisiones, algunas de las cuales han surgido del ambiente universitario, en ocasionesapoyados por fondos pblicos como EPRI (Electric Power Research Institute). Cabedestacar a AspenTech, originada en el Massachussets Institute of Technology,Thermoflow o Enter Software entre otros. Este subsector ha vivido una poca deconcentracin, con el resultado de que las numerosas pequeas empresasindependientes y altamente especializadas surgidas en los aos 80 han sido absorbidaspor grupos cada vez mayores, que ofrecen soluciones globales. Son comunes lasalianzas entre complementarios, que permiten configurar familias de aplicacionesaltamente integradas en vertical, desde la adquisicin de datos, los PIMS (PlantInformation Management System) y LIMS (Laboratory Information ManagementSystem), simuladores, y optimizadores en lnea. Incluso las grandes empresasfabricantes de bienes de equipo han optado o bien por crear sus propias divisionesdedicadas a estos temas (Siemens), o bien por absorber directamente a otra empresamenor (como el caso de General Electric con Enter Software). Por supuesto, lasempresas dedicadas a sistemas de control ofrecer sus propias soluciones dediagnstico y apoyo a la toma de decisiones integradas con su sistema de controlnativo. Estas herramientas no ocultan su vocacin hacia el personal de operacin, y seofrecen como opciones en sus paquetes comerciales de sistemas de control,minimizando por lo tanto el coste de adquisicin, instalacin y puesta a punto (caso deHoneywell).

Un sistema de monitorizacin del funcionamiento (CMS, Condition Monitorig System)es un sistema de proceso de informacin que ocupa un segundo nivel en la pirmidede automatizacin de planta (Ruijter, 1994), entre el sistema de control (DCS,Distributed Control System) y el eventual escaln de control o gestin estratgica(MIS, Management Information System). Todo el conjunto de herramientas queconforman este segundo escaln es conocido de forma genrica como Sistemas deSoporte a la Operacin (OSS, Operations Support System), que, aparte de la

Introduccin


monitorizacin del funcionamiento, se encargan de tareas como optimizacin delproceso, planificacin del mantenimiento, o monitorizacin de vida remanente de losequipos.

Nivel 3:Control estratgico de planta

Nivel 2:Operacin y Mantenimiento

Nivel 1:Control de Proceso

Nivel 0:Proceso

MIS

PROCESO

DCS PLCsensores y actuadores

OSS

CMS

Figura 1.12: Posicin de la monitorizacin en la pirmide de automatizacin.

Los fabricantes de estos sistemas de monitorizacin prometen reducciones de hasta el5% en el consumo especfico, mientras que tambin se alaban otras cualidades yposibilidades, resumidas en:

Registro continuado de la operacin, produccin, consumos y eficiencia.

Deteccin temprana de los cambios en eficiencia y posibilidad de anticipacin aefectos graves sobre el equipo por el reconocimiento de los indicadores iniciales dedegradacin.

Oportunidad de ofertar con conocimiento de los costes reales de generacin.

Posibilidad de registrar y evaluar las causas de desviacin de la eficiencia. Comoconsecuencia se puede optimizar algn aspecto de la operacin o el mantenimiento.



Base de datos entiempo real

Base de datoshistrica

Base de datos deconfiguracin

Base de datosadministrativa

Proceso en tiemporealSensores

Gestor deaplicaciones de post-

procesoGenerador de

informes

Grficos

Estadsticas deoperacin

Ciclo de vida

Optimizacin delconsumo

Figura 1.13: Esquema de sistema de monitorizacin (fuente: Boyce, 1994)

Los productos ms representativos para monitorizacin en lnea incorporan comoelementos constitutivos:

Interfaz con sistemas de control comerciales o con un PIMS comercial altamenteaceptado.

Funciones de recuperacin, tratamiento y presentacin de datos brutos.

Validacin de datos brutos, normalmente incorporando mtodos de reconciliacinde datos.

Clculo de eficiencia y parmetros de funcionamiento de equipos mediantemtodos normalizados.

Comparacin de los parmetros calculados con sus valores esperados, por logeneral aquellos corregidos a condiciones comparables. Los valores corregidos sesuelen denominar de da estndar, estado limpio, o condiciones ISO, segn elcaso y el equipo monitorizado.

Valoracin econmica de las desviaciones respecto al valor esperado para ciertosparmetros de funcionamiento. En ocasiones no son causas controlables (por ejemplopresin en el condensador).

Interfaz de usuario grfica, ergonmica e intuitiva.

Los sistemas de control de proceso actuales, tanto para grandes centrales como parainstalaciones industriales de cogeneracin, suelen disponer de un sistema SCADA

Introduccin


(Supervisory Control And Data Acquisition). Las pequeas instalaciones incorporan lalgica de control en PLCs (Programmable Logic Controller), cada vez mssofisticados y con mayores funcionalidades, coordinados desde un PLC maestro o unPC industrial a travs de un bus de comunicaciones de campo (field-bus) cada vez msestandarizados. Cada vez es ms habitual dotar a las plantas de un sistema decomunicaciones remotas por MODEM, de forma que se puedan realizar operacionesde telegestin y telemantenimiento centralizadas. De hecho, las empresascopropietarias de instalaciones de cogeneracin han implementado exclusivamentesistemas de telegestin. Hay que recordar que un punto clave de la rentabilidad de lasinstalaciones de cogeneracin es su bajo coste de personal, dado que operan enautomtico con mnima necesidad de intervencin humana. Cada vez ms se instalanfunciones de llamadas automticas a telfono mvil, que comunican el disparo dealarmas, permitiendo la vigilancia no presencial. La clave en instalaciones de estetamao est en la automatizacin de funciones, incorporadas a la propia lgica decontrol, y a la informacin remota. As, la telegestin de las centrales de cogeneracinse ha convertido en una herramienta de tipo CALS (Computer Aided LifecycleSupport) para la gestin y mantenimiento de las mismas, dado que incorporan demanera estndar consulta a travs de la internet y las comentadas funciones de alarmasy datos va GSM.

Las grandes instalaciones incorporan sistemas de control mucho ms complejos,normalmente distribuidos (DCS), en el sentido de que tienen una organizacinjerrquica por niveles, como el sistema de control Teleperm de Siemens (Wetzl,1996): el sistema de automatizacin que implementa los lazos de control (estructuradoen niveles: de campo donde se sitan los actuadores e instrumentos, de controlindividual, de control de grupo), y por encima, las unidades de proceso (ordenadoresque llevan a cabo la estrategia de control general), conectados por medio del bus deplanta. En un nivel superior se encuentran los elementos con interaccin humana,conectados con las unidades de proceso por medio del bus de terminales. Estoselementos son las terminales de los operadores que configuran el sistema de operaciny gestin, y sistemas de ingeniera (funciones de configuracin) y diagnstico (gestinde alarmas). La ventaja del sistema jerarquizado es que se minimiza la informacinque se transfiere entre niveles. Los sistemas de control estn tan sofisticados que cadavez incorporan ms funcionalidades, como la optimizacin de arranques y paradas.

Los fabricantes de bienes de equipo tambin tienen su propia versin de lamonitorizacin de los equipos que ellos mismos suministran, con el objetivo, confesoo elidido, de incrementar su propia base de conocimiento a partir de la experiencia desus usuarios. Siemens vende sus sistemas GTD y DIGEST para turbinas de gas y devapor respectivamente, compuestos de mdulos de adquisicin de datos y de clculode la condicin termodinmica. La estrategia de ABB es ms sofisticada (Neuhoff,1996), dado que ha configurado un servicio (ORAP, Operational Reliability AnalysisProgram) entre su grupo de usuarios, atendido por una tercera empresa independienteencargada de supervisar la operacin remotamente y de informar al propio usuario.Esta informacin tambin le sirve al fabricante para verificar la madurez de su diseopor su curva de aprendizaje y de aplicar tcnicas muy fiables de anlisis de rboles defallos, que en definitiva redundan en mejorar el producto.

Thermoflow es una compaa especializada en software para el diseo de cicloscombinados basados en turbinas de gas. Aunque tambin se han introducido en lasaplicaciones para soporte de operacin, como el sistema especializado Gteye, quedetermina continuamente la frecuencia de limpieza del compresor y el reemplazo de



los filtros, como nicos parmetros de degradacin de la turbina de gas, que realmentelo son a corto plazo. Gteye es un software eminentemente sencillo, que no requiere degrandes inversiones. Thermoflow tambin ofrece soluciones a medida paramonitorizacin y optimizacin de la operacin de cogeneraciones y ciclos (Griffin,1999). La aproximacin empleada es el uso de un simulador ajustado con el cual seelaboran mapas de funcionamiento que cubren el rango esperado, teniendo en cuentatodos los grados de libertad posibles, mientras que las funciones que se ofrecen son:simulacin detallada, simulacin rpida para anlisis what-if, y prediccin rpida delptimo a partir de la situacin actual para unas determinadas previsiones de coste deelectricidad y de gas (aplicando el mtodo Simplex Revisado, dado que linealiza laecuacin del beneficio). Los clculos llamados rpidos se consiguen en realidad porunos mapas precalculados, en los que se han introducido una especie de funciones detransferencia para cada equipo: por ejemplo, produccin de vapor en cada nivel depresin de una caldera en funcin de la carga de la turbina de gas y de lapostcombustin, o potencia producida en la turbina de vapor en funcin del caudal deentrada y el de extraccin. Cada mapa debe ser multidimensional para conseguir unamnima precisin, de forma que en el primer caso, el mapa ser vlido para unasdeterminadas condiciones ambiente, y en el segundo, las condiciones de vapor vivoinfluyen necesariamente en la potencia producida en la turbina de vapor. En cuanto ala optimizacin, el mtodo empleado confa en el buen condicionamiento de lasrestricciones, que son precisamente no lineales, aunque continuas en el rango,montonas y linealizables con errores acotados en rangos pequeos. No obstante, dadoque la implementacin iterativa puede no converger a una solucin realista, se proveede otro mtodo de optimizacin no lineal (por bsqueda de extremos en el espacio),ms lento y menos preciso.

MDC Technology ofrece un paquete de productos en el que RTO+ cumple lasfunciones de la monitorizacin en lnea y optimizacin de la operacin, e incluyeinterfaces con otros programas propios o de terceras partes, para simulacin uoptimizacin. En Dormer (1999) se comentan aplicaciones reales de este software ainstalaciones de cogeneracin, con ahorros de energa de hasta el 6%, con lo que seobtienen perodos de retorno de inversin inferiores a los dos aos. El mtodotradicional aplicable a instalaciones de generacin grandes basado en corregir lasobservaciones de planta a condiciones estndar de temperatura ambiente o carga,vlido en stas debido a los pocos modos de operacin de la planta, no lo es ensistemas ms complejos con diversas configuraciones posibles. La aproximacin queofrece MDC se basa en modelos ajustados a operacin real (llamado estado de dacero o estado limpio), donde los factores de ajuste representan en realidadeficiencias relativas al diseo. El coste de degradacin se obtiene por comparacin delos diferentes estados, real (con degradacin) y da cero. Tambin se incorporan loscostes de mantenimiento y los derivados de no producir durante la parada, para unaptima planificacin de tareas. La solucin completa que se ofrece consta de treselementos: el modelo, el optimizador (optimizacin entera mixta) y el actualizador delmodelo (que tiene la capacidad de alertar sobre si el modelo pierde fiabilidad o se tratade algn error de medida ante discrepancias). A su vez, los resultados que ofrece estnconvenientemente jerarquizados: as, el usuario del modelo predictivo (de costes degas y electricidad) debe ser el departamento comercial, mientras que el optimizador entiempo real sirve a operadores. As como el desarrollo de modelos est asistido porlibreras de componentes, que permiten ensamblar un modelo completo sin necesidadde programar, el taln de Aquiles de esta aproximacin radica en la necesidad deadaptar continuamente el modelo, introduciendo una incertidumbre innecesaria en la

Introduccin


interpretacin de los resultados (hasta qu punto un estado degradado puede servircomo referencia en la comparacin), y un retardo en la actualizacin del modelo.

Enter Software (General Electric) ha seguido una carrera exitosa en el desarrollo desus productos, orientados al principio al diseo (Gate Cycle) y con un softwareespecfico de monitorizacin, diagnstico y optimizacin de ciclos combinados,Efficiency Map. Permite monitorizar el ciclo combinado, con especial nfasis en lareconciliacin de datos (ver captulo 4) y conecta con un mdulo de optimizacinpropio. La estrategia aplicada consiste en, a partir de las medidas de campo, calcularlos balances de materia y energa coherentes. Estos sirven de entrada a modelos fsicosde los equipos individuales, con cuyos resultados se puede comparar el estado realfrente a un estado esperado terico, que es el de diseo corregido a las condicionesreales de trabajo (Gay, 1999). Como resultado, se obtiene la desviacin en consumoespecfico, costes de operacin o potencia producida para una serie de causas.

Figura 1.14: Pantalla de desviacin en coste de Efficiency Map.

La aplicacin Pmax de Scientech presenta todas las caractersticas estndares, tantopara plantas de carbn, nucleares y ciclos combinados, ofreciendo un reparto demegavatios perdidos por causa del aumento de las prdidas controladas (Lpez, 1995).Este software presenta resultados directamente en trminos econmicos, con cifras depotencia no generada debido a variaciones en determinados parmetros, encomparacin con un valor de referencia. Estos parmetros no son causas raz, sinoparmetros habitualmente medidos en planta, con los que el operador suele estarfamiliarizado. El anlisis de la desviacin no es exhaustivo, sino ms bien indicativo.



Figura 1.15: Pantalla de desviacin en coste de Pmax.

Existen muchas otras soluciones informticas para el establecimiento de sistemas demonitorizacin y optimizacin de ciclos de potencia. En general todas ellas se basanen modelos de mayor o menor fidelidad para establecer el estado de referencia de losequipos. Asimismo, no todas establecen la desviacin de consumo especfico, y tanslo referida a unas pocas variables principales muy cercanas a la mentalidad deloperador. En definitiva, suelen decir si alguna de las variables principales est fueradel valor adecuado, pero no tratan el problema de la desviacin del consumoespecfico de una manera global.

En alguna medida, las herramientas comerciales no se limitan a contabilizar unaprdida del rendimiento, sino que intentar descubrir las causas ltimas de dichadegradacin del funcionamiento. Este es el objetivo del diagnstico perseguidotambin en esta tesis. La diferencia entre las distintas aproximaciones reside en lastcnicas de diagnstico empleadas, esto es, en la manera y el grado de convertir laevaluacin termodinmica del funcionamiento en observaciones sobre la condicinfsica o mecnica de los equipos (Dupuis, 1986, sobre turbinas de gas, y Zaleta, 1997,sobre turbinas de vapor, comparten la misma perspectiva del problema del diagnsticocon esta tesis, aunque con un alcance limitado a un determinado equipo fundamental).En PTC-PM se presentan varios mtodos que ayudan al diagnstico, como son:

Diagramas o bacos de funcionamiento, que relacionan variables con eficienciasmediante un mapa del proceso.

Tablas de diagnstico, que describen en detalle para cada causa los efectosvisibles, locales y colaterales, la forma de aparicin y patrones para sureconocimiento.

Introduccin


rboles lgicos que, partiendo de una observacin, establecen unencadenamiento de selecciones dicotmicas, basndose en una valoracin cualitativade algn parmetro tambin observable, para aislar la causa (ver PTC-PM, Arauzo,1994). Estos rboles se basan en la experiencia acumulada y en la confianza en que losmecanismos de causalizacin son equivalentes en plantas similares. Las tcnicasnovedosas de inteligencia artificial han encontrado un verdadero campo de aplicacinen el desarrollo de nuevos rboles para sistemas en los que se carece de suficienteexperiencia acumulada. Asimismo, la automatizacin de la sistemtica se apoya enfunciones de lgica borrosa para evaluar las comparaciones de trminos cualitativoscomo alto, bajo, normal. El sistema experto resultante pretende facilitar o guiarel modelo mental del operador, que es, en ltima instancia, quien valida el escenariodiagnosticado y desencadena las acciones correctivas.

A lo largo de esta tesis se formula, desarrolla, valida y ejemplifica un mtodo dediagnstico cuantitativo para sistemas trmicos con las premisas de mxima precisinen la resolucin, generalidad y portabilidad a otros casos.

1.4 Justificacin y objetivos de la tesis.

La presente tesis tiene su origen en un lugar comn bastante habitual en el anlisis delos sistemas energticos, como es la mejora de la eficiencia y la optimizacin, entrminos muy genricos. Ya se ha enunciado previamente que el estado del arte de lacuestin ha superado la fase de investigacin bsica, con multitud de soluciones en elmercado. No obstante sigue habiendo opcin para experimentar otros caminosalternativos, especialmente si el objetivo que se busca, ms que solucionar el problemaconcreto es ensayar aproximaciones generales. En el mbito acadmico cabe destacarel auge del anlisis exergtico y la Termoeconoma en la dcada de los 80, cuandovarios grupos de investigadores desarrollaron metodologas y formalizaron teorasencaminadas a la sntesis y la optimizacin del diseo de sistemas trmicos (Valero,1994, Von Spakowsky, 1994, Tsatsatonis, 1994, Frangopoulos, 1994 y 1995). A razde aquel mpetu inicial, algunos grupos de investigacin viraron hacia el anlisis delfuncionamiento de sistemas reales (Valero, 1996, Schwarcz, 1997). Esta tesis arrancade esta lnea de investigacin, resumida en cmo tratar la informacin disponible enuna planta en operacin para mejorar en algn sentido la eficiencia trmica oeconmica de la misma. La entidad de este trabajo de investigacin tiene relevanciapor s misma, tal y como se argumenta a continuacin.

La necesidad de herramientas de apoyo en la toma de decisiones por parte del personalinvolucrado en la explotacin de una planta de potencia es evidente, por ms que losindividuos puedan acumular experiencia, debido a la complejidad delcomportamiento de un sistema tal. Las interrelaciones entre los parmetros no sontriviales, y aunque se puedan llegar a conocer ciertas reglas del comportamiento delsistema objeto de anlisis, es muy extrao que ste exhiba comportamientos lineales.La cada vez mayor integracin de los procesos no hace sino complejizar ms an lasituacin. En el caso que se ha tomado como ejemplo, la Central Trmica GICCPuertollano, el concepto es absolutamente novedoso, sin apenas experienciaacumulada, y extremadamente complejo.

Justificacin y objetivos de la tesis.


Figura 1.16: Diagrama de Sankey para la planta GICC Puertollano.

La cantidad de problemas que se pueden formular a la hora de mejorar algn aspectode la operacin de una planta es enorme. En todo el mbito de la tesis, se restringe aproblemas con sentido para el estado estacionario, y quedan fuera, por tanto, otros decarcter dinmico, que tienen que ver ms con la estabilidad y seguridad de lasmaniobras, que con una optimizacin econmica.

El hecho de utilizar datos de instrumentacin de planta confiere un carcterespecial a cualquier tipo de anlisis efectuado, dado que se maneja no sloinformacin escasa y limitada en posibilidades, sino, adems, inexacta por naturaleza.Hay que habilitar mtodos para gestionar dicha imprecisin inherente al mtodoemprico, pero teniendo en cuenta que en los sistemas reales no existe la repetibilidadde los experimentos en laboratorio. Cualquier pieza de informacin debe llevaraparejada una incertidumbre para ser completa, y todos los procesos de clculo debenconsiderar la propagacin de la incertidumbre sobre los resultados.

Por ltimo, la actualidad del problema que se intenta resolver es indiscutible. Losavances en tecnologas de informacin abren horizontes y derriban barreras, tantotecnolgicas como culturales. Los mercados en proceso de liberalizacin yglobalizacin exigen disponer de la informacin en el momento oportuno para tomaruna ventaja competitiva. Y no hay que olvidar el compromiso medioambiental, para elque cualquier iniciativa para reducir emisiones y gases de efecto invernadero (esto es,aumentar eficiencia) est plenamente justificado.

Los objetivos de la tesis se resumen a continuacin:

Definicin del problema del diagnstico aplicado al estado termodinmico de unsistema trmico en rgimen estacionario, como un problema con entidad propia.

Introduccin


Formular un mtodo matemtico que permita resolver el problema deldiagnstico.

Demostracin de la viabilidad del mtodo para su aplicacin a un problema deentidad real, como lo es un Ciclo Combinado de 300 MW de capacidad.

Identificar y especificar los elementos necesarios para un sistema demonitorizacin que incluya el diagnstico de operacin: entradas, salidas, criterios devalidez, mtodos y procesos de clculo y de tratamiento de informacin.

Presentar la metodologa para obtener los resultados con la precisin, la fiabilidady el formato requeridos para su uso a escala industrial.

1.5 Contenido de la tesis.

La tesis se estructura en seis captulos. En este primer captulo se han introducido losobjetivos adems de presentar el entorno y los conceptos que justifican la motivacinpor el tema.

En el segundo captulo se tratar el diagnstico desde un punto de vista puramenteterico, mediante una definicin rigurosa y una formulacin matemtica que losustente. El problema del diagnstico se presenta desde una perspectiva comparativacon otros problemas tpicos del anlisis de sistemas trmicos, estableciendo lasdiferencias en su mbito de aplicacin y en la formulacin, pero tambin lassimilitudes que permiten un enfoque integrador. En este mismo captulo se analizanotras posibles opciones de diagnstico y se ponen en relacin con el mtododesarrollado.

El planteamiento del diagnstico para el ciclo combinado es el argumento para eltercer captulo. Se analiza el comportamiento del ciclo combinado y de sus equiposrelevantes, y cul debera ser el alcance necesario para el correcto diagnstico deoperacin. Para tal fin, se plantean distintos modelos con nfasis en las posibilidadesde ajuste a partir de la informacin habitualmente disponible.

El empleo de datos de instrumentacin de campo presenta a su vez otra problemticadistinta, como es el manejo de informacin con incertidumbre. En el captulo cuatro seexplicarn las estrategias que han posibilitado la obtencin de resultados fiables,partiendo de un anlisis de incertidumbre tanto genrico como particular de lainstrumentacin del ciclo combinado de ejemplo, y explicando los mtodos de clculoque llevan a los resultados ms fiables. Se analizan y se comparan las distintasaproximaciones: las basadas en normativas de pruebas de rendimiento, y las dereconciliacin de datos.

El quinto captulo est dedicado a la validacin del mtodo de diagnstico. Para ellose ha desarrollado un simulador que permite establecer variaciones individuales decada parmetro potencial de diagnstico. El mtodo de diagnstico, para ser vlido,debe ser capaz de determinar unvocamente cual es el parmetro modificado, sinmostrar dispersin ni efectos cruzados. Dado que se pretende mostrar un mtodo dediagnstico desarrollado para su aplicacin en sistemas de dimensin real, el resto delcaptulo est dedicado por completo a ejemplificar la utilizacin con datos

Contenido de la tesis.


provenientes de la planta existente a que se hace referencia. Se presentarn varioscasos de utilizacin del mtodo y asimismo se apuntarn otros usos derivados.

Por ltimo, el ltimo captulo resume el desarrollo de la tesis con el nfasis debido ensu aportacin tanto a la comprensin de la tecnologa de ciclos combinados como a lasmetodologas que facilitan dicha comprensin.


Captulo 2 Formulacin del problema deldiagnstico

Segn lo enunciado hasta este punto, la explotacin de sistemas trmicos requiere deun trabajo de anlisis que involucra personal cualificado, equipamiento dedicado y unconjunto de mtodos que faciliten el tratamiento de datos y la interpretacin deresultados. En la actual tendencia de automatizacin de los procesos de informacin,estos mtodos toman la forma de algoritmos para su implementacin en lenguajes deprogramacin.

Para dar respuesta a los mltiples problemas que se plantean los analizadores desistemas trmicos se han desarrollado varias familias de algoritmos de clculo ytratamiento de informacin: estas preguntas pueden ser del tipo qu pasara si?cmo se debe operar para maximizar? cul es el valor ms probable para elparmetro?

Atendiendo a unos criterios sencillos e intuitivos, los problemas se pueden clasificaren:

Dinmicos o de estado estacionario, cuya diferencia fundamental esrespectivamente la dependencia o no de las variables con el tiempo.

Continuos o discretos, segn la naturaleza de los flujos. Los sistemas trmicos,debido a la presencia mayoritaria de materia en estados de agregacin fluidos, soncontinuos aunque la prctica habitual suele discretizarlos de alguna manera. Lamanera de discretizar determina la naturaleza de las restricciones del problemaplanteado y los algoritmos de resolucin: mecnica de fluidos computacional, mtodosde elementos finitos, anlisis adimensional o modelos estadsticos o matemticos,entre otros.

Deterministas o estocsticos: en los primeros, cada variable o parmetro recibe unvalor fijo, mientras que en los segundos se emplea el concepto de incertidumbre paraestablecer un rango de valores probables.

Adems, atendiendo a un criterio puramente de tratamiento de la informacin, elalgoritmo se denomina de tiempo real si cumple unas condiciones restrictivas detiempo de respuesta, bsicamente si el algoritmo asegura una respuesta vlida en unplazo predefinido. En cambio, se habla de procesos de clculo en lnea o en continuosi el tratamiento de los datos es inmediato a la recepcin de stos.

Dentro de este captulo, el objetivo se centra en definir problemas planteados para elestado estacionario. Se evita la necesidad de una formulacin fluidodinmica, de

Formulacin del problema del diagnstico


excesiva complejidad para el tratamiento simultneo de un sistema trmico completo,y se plantean problemas termodinmicos, cuyos modelos se expresen exclusivamentecon ecuaciones algebraicas y, en general, no con ecuaciones diferenciales. Asimismo,no se considera toda la problemtica asociada a la adquisicin y tratamiento posteriorde datos en tiempo real. En realidad, todos los algoritmos planteados en el alcance dela presente tesis han sido concebidos y probados en situaciones donde el tiempo derespuesta no juega ningn papel fundamental. No es el objetivo, por tanto, establecermarcas de velocidad de clculo.

Al analizar el funcionamiento de sistemas trmicos completos de dimensin real seobserva que presentan una complejidad alta en nmero de componentes y en lacantidad de informacin relevante que se debe tener en cuenta. Una central trmicasuele contar con unas decenas de equipos principales y varios centenares deinstrumentos con medidas en continuo. Para un ingeniero con responsabilidad en laexplotacin de la central puede resultar de inters predecir la evolucin del sistemaante cambios en su entorno o en la forma de operar, o bien aumentar el objetivo deproduccin al mximo dentro de los mrgenes de seguridad. Quizs simplemente seanecesaria una labor de registro de dicho funcionamiento y la consiguientecomparacin frente a unas marcas o referencias. En este captulo se introducirn losproblemas de

Simulacin

Pruebas de rendimiento

Reconciliacin de datos

Optimizacin

Y diagnstico, con mayor profundidad.

La ptica desde la que se van a presentar persigue definir correctamente, tantomatemticamente como desde la aplicacin prctica, cada uno de los problemas, demodo que el llamado problema del diagnstico en el mbito de esta tesis (evaluar unestado del sistema trmico respecto de una referencia) aparezca con entidad propia,claramente diferenciado de los otros. Tambin se pretende hacer patentes losparalelismos entre las distintas formulaciones, lo cual dar pie a establecer una pticaintegradora.

Una vez establecido el problema del diagnstico, ste se compara con otros mtodosque tambin cumplen una funcin de diagnosticar, en el sentido de encontrar la causaa partir de unos sntomas. Especial atencin merece la comparacin con teoras ymtodos de la Termoeconoma.

2.1 Formulacin de problemas de inters en sistemas trmicos

Todo problema tiene entidad matemtica en tanto que pretenda determinar unasvariables de forma que verifiquen un conjunto de condiciones o restricciones delmodelo. Estas restricciones pueden ser de igualdad (ecuaciones) o de desigualdad(inecuaciones). A su vez, los problemas pueden buscar la asignacin de un conjunto

Formulacin de problemas de inters en sistemas trmicos


de valores que, si existe, es nico para verificar el conjunto de restricciones, o bienencontrar el conjunto de valores que haga mxima o mnima la evaluacin de unadefinicin, denominada funcin objetivo (problemas de optimizacin).

En los problemas deterministas, la naturaleza de las variables se denomina de variasformas, segn estn fijadas a priori o bien su valor se concrete mediante la resolucindel sistema de restricciones. A las primeras se les va a denominar libres oindependientes, mientras que las segundas sern dependientes. A su vez, dentro delconcepto de variables libres o independientes, se puede diferenciar en variables decontorno y variables de decisin (o grados de libertad), atendiendo al criterio de quesean o no impuestas por el entorno y no controlables por el analista. En los problemasestocsticos no es posible establecer esta distincin de manera inequvoca, sino que lainformacin completa de una variable se compone de valor e incertidumbre.

Las restricciones tambin pueden clasificarse en categoras segn la aproximacintomada. As se puede hablar de modelos fsicos o empricos en un primer trmino,aunque la mayora de los modelos que se implementan tienen una naturaleza mixta:

Un modelo emprico puro trata de establecer una funcin que aproxima con uncriterio de mxima verosimilitud unas observaciones donde stas pueden sermediciones sobre un sistema o bien un conjunto de datos de alguna fuente fidedigna.Aunque la fiabilidad puede ser tan alta como buenos sean los datos de partida, laextrapolacin fuera de los rangos de los datos originales es cuando menos arriesgado ypoco riguroso. El modelo emprico por excelencia es la red neuronal, que utilizaexclusivamente funciones de aproximacin universal para ajustar los datosexperimentales. No obstante, empirismo no es sinnimo de particularidad, dado queexisten modelos empricos de alta aceptacin, como en el caso de correlaciones detransferencia de calor en rgimen turbulento.

En contraposicin algunos problemas pueden desarrollarse a partir de las leyesfsicas por un mtodo deductivo puro. Los modelos son ms fsicos cuanto ms sebasan en leyes fsicas aceptadas y contrastadas. En ocasiones se confunde la fronteraentre una ley fsica bsica y un modelo de aceptacin general, creyendo que el modeloes puramente fsico. Este sera el caso por ejemplo para la asuncin de la constanciadel coeficiente de flujo en un expansor, donde la ley fsica hay que buscarla en laexistencia de condiciones de choque en la ltima etapa.

A lo largo de este trabajo se ha asumido que los sistemas trmicos se puedendiscretizar como un conjunto de procesos que intercambian materia y energa endiversas formas. Esta hiptesis facilita la descripcin termodinmica del sistemaestudiado, dado que reduce el nmero de posibles variables a un nmero finito,adems, bastante reducido. Esta discretizacin define volmenes de control al nivel decomponentes o equipos individuales, cada uno de los cuales tiene asignada unafuncin determinada. Como los equipos intercambian energa y materia entre s y conel exterior, dichos intercambios tambin se

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