El sistema de control en centrales termosolares 

Las centrales eléctricas termosolares actuales tienen una gran asignatura pendiente: el sistema de control. La necesidad de desarrollar con rapidez los proyectos para garantizarse la prima más alta posible ha hecho que la ingeniería de detalle del sistema de control no se haya desarrollado a la altura de lo que cabría exigirle a un sistema de control del siglo XXI. Hay que tener en cuenta que una central termosolar cuenta con casi todos los equipos necesarios para desarrollar una automatización completa. No es una cuestión por tanto de inversión o de disponibilidad de equipos, es una cuestión de software, del desarrollo de una lógica de control adecuada.

central termosolar

 

Ventajas de la automatización completa

Las actuales plantas son totalmente manuales. Eso quiere decir que el arranque, la selección del modo de funcionamiento (se identifican más de 15 modos de funcionamiento completamente diferentes en las centrales termosolares), el control de temperatura, el control de presión, la refrigeración y el control de todos los parámetros que afectan al rendimiento y potencia de la planta se realizan de un modo completamente manual, según decisiones del operador de la central. ¿Cuál es la consecuencia? Se depende totalmente de panelista de la sala de control, que puede tener una formación mayor o menor, un estado anímico mejor o peor, una habilidad mayor o menor, o incluso una opinión personal sobre el modo de operar la planta, diferente de otros panelistas que operan en otros turnos. Y así se constata que cada panelista aplica sus reglas y costumbres, y unos prefieren operar la planta de una forma, mientras que otros toman otros tipos de decisiones. 

 

panelista

 Panelista de una central termosolar dando instrucciones por radio al operador de campo

 

Las tres ventajas indudables de tener un sistema de control automatizado son las siguientes:

  • Disminuye el número de operadores necesarios. Más bien podría decirse que, ya que el número de operadores se fija por cuestiones presupuestarias, con un número mínimo de operadores es posible operar con total seguridad y con el mejor rendimiento
  • La planta siempre se opera en el punto óptimo, y no en el punto preferido del operador. Esta es sin duda la principal ventaja
  • El número de averías e incidentes desciende. Unicamente aumentan los problemas electrónicos relacionados con los sistemas de control

 

Estructura actual

En realidad en la planta conviven una serie de sistemas de control independientes que apenas comparten una cuantas señales. En primer lugar está el sistema de control del campo solar, compuesto por un sistema de control central (FSC, Field Solar Controller) y los controladores individuales de cada colector.

 

lazo típico de una central termosolar

Lazo típico de una central termosolar, compuesto por 4 colectores y 48 módulos. El HTY frío entra por uno de los extremos, y sale por el otro con una ganancia neta de unos 100ºC de temperatura. 

 

Así, una  planta formada por 100 lazos tendría un sistema de control para el campo solar FSC y 400 controladores individuales, uno por cada colector. El FSC se encarga de orientar los módulos de manera que se consiga posicionarlos en el ángulo adecuado para garantizar el mayor rendimiento óptico. También se encarga de colocarlos en posición de protección cuando las condiciones atmosféricas, especialmente el viento, aconsejan situarlos en una posición segura. Realiza por último la lectura de temperaturas, cinco en total (una al paso por cada uno de los cuatro colectores y una al final del lazo), justo antes de volcar el fluido térmico en el control de HTF caliente general . En algunas plantas el FSC puede accionar una válvula automática situada a la entrada o a la salida del lazo, de manera que cierra totalmente el paso del fluido a través de él; y en unas pocas plantas, una franca minoría, es capaz de lograr de forma automática un equilibrio de presiones en todo el campo solar, de manera que se garantice que tanto el lazo más cercano como el más alejado del sistema de bombeo tengan exactamente la misma presión y el mismo caudal.

 

Válvula de entrada situada

Válvula de entrada situada a la entrada de cada lazo, en una centra termosolar en construcción. 

 

Las claves de la automatización completa del sistema de control del campo solar son dos:

  • Disponer de válvulas automáticas a la entrada o salida de cada uno de los lazos y una sonda de temperatura a la salida del lazo
  • Disponer de datos meteorológicos suficientes (radiación, humedad, velocidad de viento, temperatura) a la largo del extenso campo solar, lo que puede suponer instalar entre 5 y 10 estaciones meteorológicas

Disponiendo de estos dos elementos, y casi todas las plantas disponen de ellos, es posible conseguir que la regulación del campo solar se realice sin intervención del operador

 

Pantalla del sistema de control del campo solar

 Pantalla del sistema de control del campo solar (FSC) de una de las primeras centrales termosolares

 

El sistema de control de la isla de potencia se encarga de regular los fluidos a través de los diversos equipos de forma que se produzca un intercambio de calor entre el fluid térmico (HTF) y el ciclo agua-vapor, manteniendo el control  (más o menos) de algunas variables como temperaturas, presiones , caudales y niveles. Así, controla los variadores de velocidad de las bombas principales de HTF, las válvulas principales de HTF, las válvulas de salida del tren generador de vapor, los diferentes by-pass, los variadores de velocidad de las bombas de alimentación del ciclo agua-vapor, las bombas de condensado o los niveles de todos los tanques y calderines. 

Está además el sistema de control de la turbina, totalmente independiente y suministrado por el fabricante de ésta. Este se encarga de los procesos de arranque y parada de la turbina, de la regulación de carga y de la vigilancia de determinados parámetros que activarían las seguridades que protegen la turbina.

 

Una de las pantallas del sistema de control de la turbina Siemens

Una de las pantallas del sistema de control de la turbina Siemens SST-700, la más utilizada en centrales termosolares

 

Junto a esos sistemas de control prácticamente independientes se encuentran los controles de cada uno de los sistemas auxiliares que componen el BOP (Balance Of Plant). Así, la planta de tratamiento, la caldera auxiliar, el sistema contraincendios, el sistema de aire comprimido o la estación de gas disponen de su propio sistema de control, e intercambian determinadas señales con el control del bloque de potencia.

 

Inconvenientes de esta arquitectura

El primer inconveniente que cabe destacar es que la planta trabaja normalmente fuera de su punto óptimo de diseño. Se observa  a menudo que la temperatura del aceite rara vez alcanza la temperatura ideal a la entrada de los intercambiadores (unos 393ºC). A esa temperatura el rendimiento térmico de la planta es el mayor posible. Es el operador el que decide el número de lazos abiertos, el número de lazos enfocados o desenfocados parcialmente, y en algunos casos incluso el caudal que circula por el campo solar. Al tener tantas opciones y tanta capacidad de decisión, el operador no siempre elige la más adecuada. Se deja en manos del operador decisiones que comprometen la rentabilidad de la planta, decisiones que no siempre son óptimas. Es fácil pasear por una sala de control y observar la temperatura a la que está trabajando la planta a la entrada del tren de generación de vapor en un momento determinado: no es frecuente ver trabajar la planta en su punto óptimo. Peores son las conclusiones cuando se analiza un balance de energía completo. 

En segundo lugar, y es tan grave como el punto anterior, hay muchas averías que se han provocado por una deficiente operación. Dentro de su capacidad de decisión está en algunos casos operar de forma poco segura para las instalaciones. Así, algunos pinchazos del tren de generación de vapor, el fallo en cierres de bombas, la degradación acelerada del aceite, la corrosión en algunas partes de la instalación o el desequilibrio de presiones del campo solar a menudo se relacionan con operaciones poco afortunadas.

 

Las dificultades para la automatización total

No es impensable una planta termosolar que arranque y pare de forma totalmente automática, que desenfoque o enfoque lazos de acuerdo a decisiones implementadas en el sistema de control o que la caldera auxiliar se ponga en marcha de forma automática cuando se requiera. Hoy, francamente, parece impensable. Pero también parecía impensable un sistema informático capaz de ganar al ajedrez a prácticamente cualquier humano, y por sólo 30 € es posible adquirir una máquina que en el modo avanzado resulta prácticamente imbatible. Y desde luego debe analizar más opciones y cuenta con procesadores menos potentes que los instalados en una central termosolar. 

La primera dificultad está en la medición de las condiciones atmosféricas. El número de estaciones meteorológicas actual resulta insuficiente, ya que las condiciones de radiación o temperatura presentes en una zona de la planta pueden ser diferentes a las presentes en otra. Pero por un coste inferior a 100.000 euros pueden instalarse todas las estaciones necesarias, un mínimo de ocho. La medición de la radiación en todo el campo solar podría ser casi perfecta.

 

Estación meteorológica en una central termosolarpiranómetro

Estación meteorológica en una central termosolar. El piranómetro, junto con el pirheliómetro, son instrumentos habituales en estas estaciones y sirven para tomas las medidas de radiación. Además de éstas, son necesarias medidas de velocidad y dirección de viento, temperatura y humedad relativa. 

 

En segundo lugar, la falta de válvulas automáticas con un control PID para su regulación condiciona enormemente la posibilidad de automatización completa. La tercera dificultad es la inversión y el tiempo necesario para el desarrollo de un sistema de control distribuido central, que englobe a los diferentes sistemas de la planta.

Y por último, y probablemente la más insalvable de todas, está la resistencia humana. Los operadores prefieren realizar un control manual a pesar de los graves inconvenientes que esto supone. Y muchos responsables de planta han asumido que debe ser así, y que no hay otra alternativa

 

El ingeniero de control

El ingeniero de control como parte del equipo de Operación y Mantenimiento, se ha convertido  en una figura imprescindible en una central termosolar. En muchas plantas industriales esta figura ligada a la explotación apenas podría modificar un pequeño número de parámetros. En una termosolar prácticamente tiene un acceso total al programa de control.

 

El ingeniero de control tiene dos funciones principales: 

  • Solucionar una gran cantidad de automatismos que no están bien implementados en las plantas, como controles de nivel, de caudal, de temperatura… Esta carencia procede del proceso de puesta en marcha, que normalmente se acelera de forma artificial y se deja sin “comisionar” algunos sistemas, que quedan para siempre en modo manual.
  • Mejorar el sistema de control general, ideando rutinas de control y ajustando controladores PID que “alivien” el trabajo del operador.

 

Conclusiones

El sistema de control no sólo puede mejorarse, sino que debe hacerse para conseguir que las plantas puedan cumplir su plan de producción esperado. Si el sistema de control no se desarrolla correctamente en los próximos meses, muchas plantas empezarán a incumplir su producción esperada, por trabajar fuera del punto de diseño, por tener gran cantidad de averías e indisponibilidad provocados por una operación deficiente y verán incrementados sus costes de producción al tener que incorporar necesariamente una plantilla superior a la inicialmente considerada

 

Más información sobre centrales termosolares

Puede encontrarse más información sobre centrales termosolares y sus sistemas de control en las siguientes páginas web: http:// www.renovetec.com y http://www.centralestermosolares.com.

 

 

 

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