Un simulador para centrales de biomasa 

El origen de la explotación de la Biomasa para la generación de energía eléctrica, proviene principalmente de la necesidad de algunos procesos industriales de deshacerse de residuos biológicos.


foto humanos

 

Un ejemplo claro de esto lo tenemos en el orujillo de oliva, residuo originado tras proceso de extracción realizado a las aceitunas, que resulta ser un combustible excelente. En este caso se obtiene un doble beneficio, ya que no solo se ahorra el coste de desprenderse de los residuos sino que se obtienen beneficios por medio de la venta de energía eléctrica producida. En el apartado medioambiental conseguimos eliminar un residuo nocivo al tiempo que sustituimos el empleo de otros carburantes, principalmente petróleo y gas. La Biomasa resulta además un recurso inagotable y su combustión se considera menos nociva que la de sus competidores. Pero incluso en el plano económico hoy en día debido al encarecimiento de los hidrocarburos resulta cada vez más conveniente  su uso. Lo que viene a confirmar a la Biomasa como una de las fuentes más interesantes de energía. Tanto es así que cada vez está más extendido el uso de explotaciones agrícolas para la producción de esta. 

En paralelo a este aumento del uso de este recurso, se desarrolla una evolución  en el diseño la construcción y la explotación de las plantas de Biomasa. Es un proceso natural que se da en la industria debido a la experiencia que se va acumulando y la a ambición de sacar el máximo beneficio de cada inversión. Se trata entonces de optimizar el diseño, posteriormente la construcción y finalmente la explotación. La correcta realización de estos tres procesos es indispensable. Un fallo en el diseño que puede ir desde la mala realización del estudio de viabilidad de la planta, hasta el cálculo erróneo del diámetro de una tubería. Un fallo de este tipo podría ocasionar una planta ruinosa sin importar la calidad de la construcción y explotación. Lo mismo sucede si se realiza una mala construcción o explotación. Esto nos lleva a la búsqueda de las mejores herramientas con el fin de poder realizar el mejor estudio, realización y explotación de las centrales de Biomasa. En esta búsqueda de las mejores herramientas las nuevas tecnologías nos proporcionan la posibilidad de realizar simuladores. Puede resultar una herramienta muy útil en el estudio de funcionamiento de las plantas para poder mejorar el diseño o la construcción de estas. Pero también puede utilizarse como ya se hace con los simuladores de vuelo y entrenar a los futuros operadores de planta para mejorar la explotación.

 

Conceptos básicos de las plantas de Biomasa:

Este apartado explica los conceptos básicos para aquellos menos familiarizados con este tipo de explotaciones. 

Podemos clasificar la Biomasa en: Biomasa Natural (se produce en la naturaleza sin intervención humana), Biomasa Residual (de los residuos de la actividad humana principalmente en agricultura e industria) y los Cultivos de Biomasa. Algunos ejemplos de esto son: El serrín de las serrerías, residuos forestales (hojas ramas…), orujillo de oliva, chopos o cardos de cultivo… Esta Biomasa se quema en una caldera que evapora el agua para a continuación sobrecalentar el vapor. Este vapor se proyecta contra los alabes de la turbina haciéndola girar a 9000 rpm. La turbina está conectada a un extremo de una reductora de cuyo otro extremo cuelga el generador que transformara la energía de rotación en energía eléctrica. Tras salir de la turbina el vapor se encuentra cercano al punto de saturación por lo que comienzan a formarse las primeras gotas de agua. El vapor es conducido al condensador donde el agua enfriada en la torre de refrigeración es utilizada para condensarlo. Una vez condensado el vapor, el agua resultante se eleva a una presión que suele ser de unos 50 bares, esta agua pasa por distintos precalentadores. Los precalentadores no son otra cosa que extracciones que se toman de la turbina para calentar el agua, resultando así un incremento del rendimiento en la turbina. Tras lo cual se introduce el agua en la caldera, de este modo se cierra ciclo. Hay muchas maneras de introducir la Biomasa en la caldera y sacar las cenizas, dependiendo del el tipo de Biomasa que se trate y la solución técnica que adopte la ingeniería del proyecto. Una manera bastante habitual es mediante una cita transportadora en forma de parrilla. 

Biomasa hasta la entrada de la caldera

Arriba en la imagen podemos observar todo lo descrito hasta ahora. Se observa que un sinfín traslada la Biomasa hasta la entrada de la caldera donde  se deposita sobre una parrilla, las cenizas se extraen del otro extremo. Las líneas naranjas nos muestran el camino que sigue el aire calentándose antes de ser utilizado en la combustión. Este aire es conducido hacia los filtros que se encuentran en la derecha de la imagen. Tras filtrar el aire para desprenderlo de gases nocivos para la atmosfera se libera a gran altura por medio de la chimenea. En la parte superior de la caldera se observa como entra el agua (tubería azul) en el punto 3 y se calienta y más tarde se evapora entre los puntos 4 y 5. En el punto 5 tenemos vapor (tubería roja) que se sobrecalienta hasta el punto 6 que corresponde con la entrada de la turbina. Sobre esta se encuentra el Bypass por donde no circulará vapor durante el funcionamiento normal de esta. Los puntos 7,8 y 9 corresponden con el vapor extraído para el precalentamiento del agua proveniente del condensador. Dos circuitos distintos atraviesan el condensador. Por un lado tenemos el agua fría proveniente de la torre que entra por el punto 12 a la izquierda y sale tras atravesar las tuberías del condensador, más caliente por la izquierda. Mientras que el vapor que viene de la turbina se encuentra con estos donde circula agua fría en su interior y se condensa goteando sobre el agua posada en el fondo del condensador.  

Existen por tanto tres transformaciones de energía en el proceso. Primero la energía proveniente de la combustión de la Biomasa se traslada al vapor en forma de calor y aumento de la velocidad debido al cambio de volumen. Tras lo cual el vapor transmite su energía a la turbina convirtiéndose en energía mecánica de rotación en el eje de esta. Por último el generador transformara la potencia del eje en potencia eléctrica en sus bornes. Para la energía disipada en el condensador no tenemos no existe ningún medio de recuperación por lo que la consideramos una perdida. 

 

Simulación de Centrales de Biomasa:

Al escuchar la palabra simulador se nos viene a menudo  a la mente la idea del simulador de aviones, utilizado para instruir a futuros pilotos o incrementar las habilidades de los actuales. Como la propia palabra sugiere, un simulador trata de simular de una manera fiel, el comportamiento de algún elemento o sistema real. En este aspecto una de las ventajas de contar con un simulador es que ante un fallo que resultaría catastrófico en la realidad, aquí se convierte en la imagen de una explosión o las letras GAME OVER. Otra ventaja reside en que es posible simular situaciones o cambios entre estas que no son reales, como acelerar el tiempo, etc. El hecho de generar situaciones o transiciones no reales nos puede ayudar a comprender mejor el comportamiento del sistema. Tómese como ejemplo la teoría de la evolución, sería fácilmente explicable en unos pocos minutos con un simulador, que según avanza el tiempo va visualizando la evolución de millones de  años mediante los cambios desde la bacteria hasta el humano pasando por los homínidos etc. Cambios que no son reales ni en tiempo ni en forma ya que no se muestra el nacimiento y muerte de cada individuo... Sin embargo el concepto es rápidamente absorbido hasta por los niños de corta edad. 

Las aplicaciones que proporciona un simulador se pueden dividir en dos campos; por un lado nos proporciona una herramienta perfecta para la enseñanza, por otro nos permite la explotación y diseño de una planta para estimar los parámetros correctos, modo de operación óptimo, etc. Consideremos que se conoce el historial de los residuos generados por un proceso industrial determinados (cantidades diarias, composición química, humedad...). Podríamos simular distintas plantas…  con el fin de encontrar configuración más adecuada y estudiar la viabilidad de esta. Procediendo del mismo modo podemos tomar otra serie de decisiones estratégicas. También podemos saber en una explotación en funcionamiento si estamos dentro de los niveles normales de operación…Para este último caso el simulador debe ser personalizado para la planta. En nuestro caso se han realizado pruebas con un simulador para centrales de  Biomasa y la experiencia ha resultado exitosa. En un solo día se modificó la cantidad de extracciones de la turbina junto con otros parámetros, ajustados de forma experimental y se consiguió  una simulación del funcionamiento de la planta con un error inferior al 1%.

En lo que a la enseñanza se refiere está claro que en el siglo XXI podemos contar con una serie de ventajas proporcionadas por el desarrollo de las nuevas tecnologías. En este aspecto un simulador  supone para un alumno la manera más fácil, visual, incluso entretenida de familiarizarse con los nuevos conceptos. Lo que supone que el estudiante podrá alcanzar unos conocimientos más profundos más rápidamente y con un menor esfuerzo y desgaste. Algunos conceptos como la entalpia, los rendimientos isentrópicos, etc. que se suponen exclusivos de carreras universitarias pueden ser fácilmente explicados mediante un simulador orientado a mostrar el comportamiento de la planta de una manera gráfica e intuitiva. Esto se debe a que el simulador es capaz de representar los distintos estadios en estado estacionario, alternar entre ellos de una manera real o instantáneamente permitiendo la mejor y más rápida visualización de la variación de los mismos. De este modo podríamos comprender el ciclo Rankine en un diagrama T-S sin más que observar los cambios en este, del mismo modo que un niño lo hace con la teoría de la evolución. 

De hecho esta es una de las novedades que presentan los simuladores que hemos realizado, tanto el Termosolar como el de Biomasa incluyen un diagrama T-S dinámico. La utilidad de este diagrama va más allá de la enseñanza ya que permite observar sí se dan situaciones de humedad excesiva en las últimas etapas de la turbina, sin más que comprobar que los puntos no alcanzan la zona Wilson... También para un operador de planta con experiencia resulta atractivo el poder ampliar sus conocimientos con un simulador, ya que con este tiene la oportunidad de “jugar” con el simulador de un modo que con la planta le sería imposible sin causar daños irreversibles o sin perder producción. Con lo que adquirirá una mayor comprensión de los procesos y de las relaciones causa-efecto.  En el caso de un operador nuevo implica la rápida adaptación a cualquier planta de Biomasa y el desarrollo de sus habilidades más allá de lo que lo haría sin este. Ya que conocerá la naturaleza de los procesos de una manera que le permitirá comprender e identificar los sucesos, lo que le provocara su rápida y mejor adaptación a su nuevo puesto de trabajo.

grafico

Con ayuda de un instructor  debidamente cualificado que simule distintas anomalías en la planta es posible hacer ver a los alumnos el tipo de fallos que suceden y lo que es más importante las causas y las posibles prevenciones y soluciones. Por supuesto es fundamental la labor de un instructor con los conocimientos adecuados para poder sacarle el máximo rendimiento al simulador. También sería de agradecer que tuviese habilidad para poder amenizar el proceso de aprendizaje y aprovechar la posibilidad que esta herramienta brinda para realizar una enseñanza más dinámica y entretenida con la que conseguir una mayor atención, concentración y motivación.

Como se ha comentado anteriormente el simulador proporciona al alumno una herramienta con la que interactúa de modo que el aprendizaje resulta además entretenido. Este es un punto muy importante porque les brinda tanto al profesor como al alumno un modo de aumentar la concentración y la motivación. Clases teóricas que rápidamente suelen quedar en el olvido pueden intercalarse con sesiones del simulador para reforzar el aprendizaje y aumentar la comprensión. Esto nos lleva al eje de la discusión que se viene dando en los últimos años en la enseñanza. Esta discusión se centra en el debate entre la memorización y la comprensión en el aprendizaje. Mientras la enseñanza tradicional se declina más por el aprendizaje a base de memorizar los contenidos, (tómese como ejemplo la memorización de las tablas de multiplicar) las últimas tendencias en la enseñanza prefieren potenciar el lado de la comprensión en el aprendizaje. Recientes estudios en la materia han demostrado con creces las ventajas de la comprensión frente al uso excesivo de la memorización forzada. Una buena comprensión de la materia ayuda a la mejor memorización, provoca una mayor efectividad en el recuerdo a largo plazo y un refresco de la memoria más rápido. Como resulta evidente, es más sencillo avanzar en la materia que se trate hacia cosas más complejas si el entendimiento es bueno. También se ha demostrado que la motivación de los alumnos instruidos mediante este método es mayor. Nuevamente nos podemos dar cuenta que la acción del instructor en este punto es vital, ya que de su habilidad para saber valerse esta herramienta y conocimiento en la materia dependen, que los ejemplos que realice resulten de apoyo y sirvan para comprender mejor la materia impartida en la teoría. 

compresion

Las ventajas de la compresión frente a la memorización entre otras son; el hecho de resultar un operario con mayor motivación facilidad y ganas de aprender, más interés en la central porque despierta su curiosidad al entender los procesos. Se trata de enseñar al operador a controlar las máquinas y equipos en beneficio del proceso y mantenimiento tanto preventivo como predictivo, no de robotizar al operador. Esto quiere decir que el operador no ve la planta como una caja negra en la que debe realizar una serie de acciones mecánicas, por el contrario comprende los procesos y está preparado para eventuales sucesos que pueden ocasionarse, que distorsionen la operación rutinaria. Son muchas las ventajas de tener un operador cualificado, probablemente sea el factor más influyente en la explotación de una central y uno de los mayores costes durante la explotación por lo que merece la pena tener un buen operador. Así mismo probablemente sea una de las personas más indicadas para proponer mejoras en la explotación o modificaciones en la planta. Del mismo modo cuando personal más cualificado como Ingenieros… deben estudiar la planta o realizar modificaciones, es el operador el primero con el que se comunica y el nivel de este repercutirá indiscutiblemente en facilitarle el trabajo.

pantallas

Otra de las ventajas del simulador son las pantallas. No se trata de las frías pantallas de un sistema de control, se debe a que pretenden hacer comprender la naturaleza del proceso y los sistemas a los operadores. De manera que los distintos componentes dejen de ser objetos misteriosos. Un ejemplo claro de esto es la Pantalla Principal que es la imagen utilizada en la explicación del apartado de conceptos básicos. Obviamente este diseño es aún más ventajoso para futuros operadores que no hayan tenido la oportunidad de ver algunos de estos elementos íntegramente, pero también es de utilidad para los viejos. 

Se incluyen también las Entalpias en todos los puntos que junto con la Presión, Temperatura y Caudal que le dan forma de balance de energía al simulador. Otra de las novedades que el simulador de Biomasa es la capacidad de mezclar en porcentajes estipulados por el operador cualquier tipo de combustible. Cabe destacar entre otras el sistema de puesta en marcha incluido en estos simuladores que además de proporcionar una idea muy acertada de  cómo se debe realizar un arranque en una planta de este tipo, logra que el operador intuya las inercias que se dan en estas plantas. Los parámetros principales a tener en cuenta se muestran en la cabecera de todas las pantallas como los diversos rendimientos y potencias que no se encuentran en ninguna planta en funcionamiento. Estos datos también pretenden incrementar la compresión termodinámica y energética del proceso. Podemos decir que estas son algunas de las novedades más destacables de los simuladores realizados por Renovetec que junto con otras no constituyen un producto bastante innovador. 

grafico simulador

Como conclusión podemos decir que un simulador es la mejor herramienta de aprendizaje que combinada con los métodos tradicionales de enseñanza optimizará el proceso de aprendizaje de los operarios. Esta es precisamente una de las principales razones que ha llevado a Renovetec a realizar estos simuladores para poder estar en cabeza en lo que a preparación de operadores se refiere. 

 

 

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