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SIDE: Automatización de una planta de generación eléctrica con 2 microturbinas de biogás

SIDE ha participado en el proyecto de automatizaciónu n conjunto de equipos de Micropower para la combustión de biogás en microturbinas con PLC V570 de Unitronics y acceso remoto mediante el router eWON

SIDE: 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.

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 la actualidad la empresa consta de 3 divisiones: automatización industrial, electrónica-comercialización de productos y fabricante maquinaria sopladoras PET.

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.

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.

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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.

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.

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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.

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.

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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.

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.

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Autores: Pol Olivella, Toni Sudrià y Roberto Villafàfila (CITCEA-UPC)

Artículo publicado en la revista Automática e Instrumentación:

Automatica