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SEMANA DE LA ECOEFICIENCIA DE EUSKADI 2012
EUSKADIKO EKOERAGINKOTASUNAREN ASTEA 2012
Optimización energética
en hornos de fusión de
hierro INDUCTOTHERM -
URBINA
30 de Mayo de 2012
SEMANA DE LA ECOEFICIENCIA DE EUSKADI 2012
EUSKADIKO EKOERAGINKOTASUNAREN ASTEA 2012
1. Objetivo
2. Modo de trabajo actual
3. Optimización propuesta
4. Otras posibilidades
SEMANA DE LA ECOEFICIENCIA DE EUSKADI 2012
EUSKADIKO EKOERAGINKOTASUNAREN ASTEA 2012
Objeto del estudio: Hornos eléctricos de fusión por inducción de marca INDUCTOTHERM
Potencia: 8.500 kW
Funcionamiento en tándem, mientras uno está colando el otro está fundiendo
Fusión de hierro a alta temperatura, 1500°C
Sistema de control propietario
1 – Objetivo
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EUSKADIKO EKOERAGINKOTASUNAREN ASTEA 2012
Curva de temperatura en una fusión
El objetivo del proyecto consiste en la mejora energética en los hornos de fusión de hierro por inducción mediante la captación y el análisis de datos para aplicación en tiempo real de las recomendaciones que minimicen su consumo eléctrico, respetando el tiempo de fusión por tonelada
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200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20
°C
hh:mm
1 – Objetivo
SEMANA DE LA ECOEFICIENCIA DE EUSKADI 2012
EUSKADIKO EKOERAGINKOTASUNAREN ASTEA 2012
Actualmente, la Potencia contratada por URBINA es de 9.000kW y el consumo máximo cuarto-horario de 8.000kW
Dadas estas condiciones, se respeta siempre la demanda de energía de todas las máquinas de la planta y es únicamente en los hornos de inducción donde se limita el suministro en caso de ser necesario.
Por otra parte, el sistema de control de los hornos realiza un reparto automático de los 8.500kW disponibles entre los dos hornos con el objetivo de mantener la temperatura del horno que está colando.
2 – Modo de trabajo actual
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3000
4000
5000
6000
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8000
9000
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kW
Pot aplicada
En un modelo de contratación eléctrica con tarifa cuarto-horaria, el superar el consumo contratado supone una penalización importante en la tarifa eléctrica.
Para evitarlo, se dispone de un limitadores de puntas que actúa en “escalón” a medida que avanza el tiempo del cuarto de hora. Se observa en esos casos que en los primeros minutos se aplican potencias cercanas al máximo nominal del horno mientras que en los finales las potencias caen a valores muy bajos.
Curva Potencia aplicada en una fusión tipo
2 – Modo de trabajo actual
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Los modos de funcionamiento en los que se pueden encontrar los hornos son los siguientes:
Modo 0: Horno apagado
Modo 1: Horno en automático
Modo 4: Horno en manual
Las curvas de carga de los hornos trabajando en tándem son del siguiente estilo:
Curvas de carga de los dos hornos
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
kg
Carga Horno 1
Carga
2 – Modo de trabajo actual
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EUSKADIKO EKOERAGINKOTASUNAREN ASTEA 2012
A lo largo de un ciclo de fusión se pueden observar dos fases diferenciadas,
Una primera fase en la que al haber poca carga en el horno no existe suficiente núcleo para que físicamente se pueda aplicar toda la potencia disponible
Una segunda fase en la que al haberse fundido bastante material, la carga en el horno es suficiente para aplicar toda la potencia disponible
Carga, Potencia y Temperatura a lo largo de una fusión
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00 1:05
°C
kW
Carga Q(t)
Pot (t)
Temp (t)
2 – Modo de trabajo actual
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Potencia vs Voltaje
2 – Modo de trabajo actual
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Carga vs Frecuencia
2 – Modo de trabajo actual
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Carga vs Temperatura
2 – Modo de trabajo actual
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Carga vs Eficiencia
2 – Modo de trabajo actual
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Se puede comprobar de los datos proporcionados por el horno que la EFICIENCIA viene definida como:
𝐸𝑓𝑓 % = 100 𝑥 (1 − 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝐸𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 )
Se establece por tanto la EFICIENCIA como un indicador a maximizar a la hora de llevar a cabo algún tipo de optimización del proceso
2 – Modo de trabajo actual
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Objetivo: evitar altibajos en las curvas de potencia
Estrategia: potencia menor aplicada de forma más estable. Conseguir el mismo calentamiento del metal en el mismo tiempo de una forma más eficiente.
Para ello, se generan Modelos del Proceso que tienen en cuenta en cada instante para el que se debe aplicar una recomendación:
• La Temperatura en el horno
• La Carga en el horno
• El Incremento de Carga en los últimos 2 minutos
• El Incremento de Temperatura a conseguir en los siguientes 2 minutos
dicho ΔT es el que se consigue actualmente en cada situación de planta, de forma que se siga un ritmo de calentamiento similar al actual pero con potencias más estables.
3 – Optimización propuesta
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Los modelos así generados proporcionan las curvas de Eficiencia del horno para diferentes valores de potencia en función del resto de variables del proceso, Carga, Temperatura, Incremento de Carga…
3 – Optimización propuesta
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Curvas de Eficiencia vs Carga. A medida que la carga del horno aumenta se observa que la eficiencia disminuye
3 – Optimización propuesta
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Se generan asimismo predicciones de ∆Temp en 2 minutos para cada situación de Carga, Temperatura y Potencia media a aplicar
3 – Optimización propuesta
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Y proporcionan la recomendación de la Potencia a aplicar para conseguir dicho incremento de temperatura de forma más eficiente
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1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
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kW
Pot aplicada
Rec Limit.Potencia
3 – Optimización propuesta
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Conectividad al sistema
Sistema de control del horno mediante placa integrada de INDUCTOTHERM, sin acceso de datos a través de PLC
Conexión mediante red Ethernet a equipo de control del horno y acceso en Tiempo Real a la B.D. de Access del horno (Meltminder.mdb)
Aplicación de las recomendaciones de Potencia a través de la entrada analógica del limitador de puntas. Para ello se combinará la recomendación con la información del PLC de limitación actual
3 – Optimización propuesta
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Pruebas ON-LINE
Para llevar a cabo unas pruebas on-line del modelo de proceso propuesto para la optimización se estableció la conexión en tiempo real con la B.D. del equipo de control del horno y se realizaron lecturas de datos cada 30 segundos.
La forma de aplicación de la limitación de Potencia propuesta por el modelo se realizó en esta fase mediante el potenciómetro de control proporcionado por la aplicación de Inductotherm
3000
4000
5000
6000
7000
8000
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
kW
Potencia vs Salida potenciómetro
3 – Optimización propuesta
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Resultados de las pruebas
Las curvas obtenidas en el Horno 1 son las siguientes:
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200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0:0
0
0:0
5
0:1
0
0:1
5
0:2
0
0:2
5
0:3
0
0:3
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0:4
0
0:4
5
0:5
0
0:5
5
1:0
0
1:0
5
1:1
0
1:1
5
1:2
0
1:2
5
1:3
0
1:3
5
1:4
0
°C
kW
Carga H1
Potencia H1
Temperatura H1
Consignas de temp. alcanzadas
Potencia limitada a 0kW por el operario
Carga, Potencia y Temperatura
3 – Optimización propuesta
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Resultados de las pruebas
Curva de Eficiencia del Horno1
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
1
0:0
0
0:0
5
0:1
0
0:1
5
0:2
0
0:2
5
0:3
0
0:3
5
0:4
0
0:4
5
0:5
0
0:5
5
1:0
0
1:0
5
1:1
0
1:1
5
1:2
0
1:2
5
1:3
0
1:3
5
1:4
0
Potencia limitada a 0kW por el operario
Eficiencia media durante el periodo de recomendaciones = 83%
3 – Optimización propuesta
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4 – Otras posibilidades
OPTIMIZACIÓN por predicción de tiempo de paso de modo espera a modo calentamiento
La idea sería determinar en qué momento (instante de tiempo) se debe pasar al modo 1 de forma que se minimice el tiempo de mantenimiento del material a 1.500°C sin retrasar el comienzo de la colada en los moldes
Para ello, se obtendría de datos del ERP la hora a la que tiene que estar preparado el horno 2 a 1.500°C considerando:
- Carga actual y Carga final del horno 1
- Peso de la pieza/as a colar en horno 1 (referencias plan producción)
- Tiempo de colada de la pieza/as en horno 1 (referencias plan producción)
- Nº piezas a colar en horno 1
- Combinado con la generación de un modelo para el horno 2 capaz de predecir el tiempo de colada a partir de unas determinadas condiciones iniciales y finales a conseguir como, Carga inic, Carga fin, Temp. inic, Temp. fin, Potencia disponible…
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