7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
1/57
Control Optimo
de Plantas Termoelctricasde Ciclo Combinado
Dra. Doris Sez
Departamento de Ingeniera Elctrica
Universidad de Chile
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
2/57
Contenidos
Motivacin Fundamentos de Control Predictivo
Aplicaciones a Plantas Termoelctricas Control Supervisor
Optimizacin de Partida y Detencin
Conclusiones
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
3/57
Motivacin
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
4/57
Motivacin
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
5/57
El control predictivo se presenta como unaatractiva herramienta de control que permiteincorporar criterios operacionales a travs dela utilizacin de una funcin objetivo y
restricciones para el clculo de las accionesde control.
Estas estrategias de control han alcanzado unnivel muy significativo de aceptabilidadindustrial en aplicaciones prcticas de controlde procesos.
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
6/57
Fundamentosde Control Predictivo
El uso de un modelo matemtico del proceso que seutiliza para predecir la evolucin futura de las variablescontroladas sobre un horizonte de prediccin.
El establecimiento de una trayectoria deseada futura, oreferencia, para las variables controladas.
El clculo de las variables manipuladas optimizando unacierta funcin objetivo o funcin de costos.
La aplicacin del control siguiendo una poltica dehorizonte mvil.
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
7/57
t t+N
u(t+j/t)
y(t+j/t)
t+1 t+j... ...
y(t)
u(t)
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
8/57
Modelo
Entradas pasadas
y salidas pasadasSalidas
predichas
+
Optimizador
Controles
futuros
Trayectoria
de referencia
Errores
futuros
Funcin
de costo Restricciones
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
9/57
Los elementos principales del controlpredictivo son:
Modelos de prediccin
Funcin objetivo
Obtencin de la ley de control
Restricciones
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
10/57
Modelos de Prediccin
Modelo ARX
Modelos No Lineales
A z y t B z u t e t( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = +1 1
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
11/57
Funcin Objetivo
(j) y (j) coeficientes de ponderacin
salida predicha en el instante t+j,
trayectoria de referencia deseada,
N1 y N2 horizontes mnimo y mximo de prediccin,
Nu horizonte de control
[ ] [ ]J j w t j y t j t i u t ij N
N
i
Nu
= + + + + = =
( ) ( ) $( / ) ( ) ( )2 2
11
2
1
$( / )y t j t+
w t j( )+
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
12/57
Obtencin de la Ley de Control
Para obtener los valores u(t+j/t) se minimiza
la funcin de objetivo planteadaanteriormente.
Para ello se calculan los valores de las salidaspredichas, haciendo uso de un modelo deprediccin y luego se sustituyen estos valoresen la funcin objetivo.
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
13/57
Restricciones
mxmin u)t(uu
mxmin u)t(uu
maxmin y)t(yy
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
14/57
Control Predictivo Hbrido
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
15/57
Algoritmos Genticos (GA). Inspirados en elmecanismo seleccin natural donde losindividuos ms fuertes son probablemente los
ganadores en un ambiente competitivo.
Algoritmos Evolutivos para resolver laoptimizacin no lineal asociada aControl Predictivo
Fundamentosde Control Predictivo
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
16/57
Contenidos
Motivacin Fundamentos de Control Predictivo
Aplicaciones a Plantas Termoelctricas Control Supervisor
Optimizacin de partida y detencin
Conclusiones
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
17/57
Control Supervisorde Plantas Termoelctricas
Dra. Doris Saez & Mag. Freddy Milla
Departamento de Ingeniera ElctricaUniversidad de Chile
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
18/57
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
19/57
La optimizacin en plantas termoelctricas se realizapor razones operacionales econmicas y/o ambientales
Opciones de control: Reemplazar el sistema regulatorio por un sistema decontrol predictivo
Agregar un nivel supervisor predictivo sin modificarel nivel regulatorio
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
20/57
Processu
e
y
Supervisorylevel
J w
Regulatorylevel
r
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
21/57
Funcin Objetivo Genrica
=
==
= ==
==
++++++
+++++
+++=
uuy
y uu
uy
N
1i
i
u
N
1i
i
u
N
1j
j
y
N
1j
N
1i
ji
yu
N
1i
2i
u
N
1i
2i
u
N
1j
2j
y
)1it(u)1it(u)jt(y
)1it(u)jt(y)1it(u
)1it(u)jt(y)t(J
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
22/57
Control Supervisor
de Plantas TermoelctricasTurbina a Gas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
23/57
Sistema regulatorio de la turbina a gas
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
24/57
Funcin Objetivo
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
25/57
Control Regulatorio con set-points constante, MPC , HPC-S, HPC-EE, HPC-GA
400 500 600 700 800 900 1000 11003.3
3.35
3.4
3.45
3.5x 10
7
Pgr(
t)[W]
400 500 600 700 800 900 1000 11003.3
3.35
3.4
3.45
3.5x 10
7
Pg(t)[W]
400 500 600 700 800 900 1000 11000.58
0.6
0.62
0.64
time [s]
Fd(t)[Kg/s]
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
26/57
Funcin objetivo (regulatoria, econmica) TG
.
3.2274 %3.2273 %3.1638 %3.1637 %Beneficio
econmico
0.928 x10155.657 x10155.657 x10155.321 x10155.321 x1015JCr
2770.52830.02830.02828.32828.3JCp
= 1.5
2.1388 %2.1375 %2.0883 %2.088 %BeneficioEconmico
0.978 x10151.479 x10151.477 x10151.451 x10151.451 x1015JCr
2770.52800.12800.02798.72798.7JCp
= 3PIHPC-GAHPC-EEHPC-SMPC
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
C l S i
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
27/57
Control Supervisor
de Plantas TermoelctricasPlanta de Ciclo Combinado
C t l S i
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
28/57
Presin de vapor saturado y flujo de combustible en la Caldera
3800 3900 4000 4100 4200 4300 44003.95
4
4.05
4.1
4.15
4.2x 10
6
PS
r(t)[Pa]
3800 3900 4000 4100 4200 4300 44003.95
4
4.05
4.1
4.15
4.2x 10
6
PS(t)[Pa]
3800 3900 4000 4100 4200 4300 440012.95
13
13.05
time [s]
Wf(t)[Kg/s
]
Control Regulatorio con set-points constante, MPC, HPC-S, HPC-EE, HPC-GA
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
C t l S i
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
29/57
Ahorro de combustible en la caldera
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
C t l S i
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
30/57
Existe una mejora econmica de 3.2% en los
Controlador Predictivo Supervisor en la turbina agas.
El modelamiento hbrido del sistema de control dela turbina a gas en el Controlador PredictivoSupervisor mejora la regulacin.
Se logran mejoras econmicas del 3.5% en lacaldera y de 0.3% en regulacin de la planta alintegrar los Controladores Predictivos Supervisoresen la planta termoelctrica.
Control Supervisor
de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
31/57
Contenidos
Motivacin Fundamentos de Control Predictivo
Aplicaciones a Plantas Termoelctricas Control Supervisor
Optimizacin de partida y detencin
Conclusiones
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
32/57
Optimizacin de Partida y Detencin
de Plantas Termoelctricasde Ciclo Combinado
Dra. Doris Saez & Mag. Roberto Ziga
Departamento de Ingeniera ElctricaUniversidad de Chile
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
33/57
Optimizacin econmica del funcionamientode una central de ciclo combinadoconsiderando sus distintos modos de
operacin.
Generacin de esquema de control unificado
capaz de reaccionar frente a perturbacionesmedibles respetando despacho econmico.
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
O d d
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
34/57
Elementos centrales: Turbinas (Gas y Vapor).
Dinmica.
Condiciones lgicas de operacin. Modos de partida.
Restricciones de tiempos de funcionamiento.
Seales de partida.
Prioridad.
Sistema de control convencional.
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
O ti i i d P tid
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
35/57
Elementos centrales: Temperatura Ambiental: Accin de
perturbaciones sobre el funcionamiento de
las turbinas.Variacin de eficiencias.
Accin sobre gases de escape.
Restricciones operacionales: Seguridad.
Proteccin.
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
O ti i i d P tid
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
36/57
Ejemplo
Potencia producida
Potencia producida
Consumo de combustible
Referencia de flujo de vapor
Potencia demandada
Encendido
Encendido
Central de ciclo combinado (CCPP) concogeneracin
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
O ti i i d P tid
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
37/57
Objetivo final: Minimizar Costos - Ingresos. Costos por ejemplo:
Ingresos
==
+++++++=T
i
ststdem
T
i
elpoweldemdem ikdikuikpikdikyikpC
1
2_
1
_ )()()()()()(
{ } { }==
+++++=T
i
llstupstart
T
i
llupstartupStart kuikuikpkuikuikpC
1
22__
1
11__ 0),()(max)(0),()(max)(
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
{ } { }==
+++++++=T
i
stst
T
i
elpowel ikdikuikpikdikyikpE
1
2
1
)(),(min)()(),(min)(
O ti i i d P tid
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
38/57
Ejemplo: Tracking
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
39/57
Ejemplo: Up-Time TV
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
40/57
Ejemplo: Down-Time TG
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
41/57
Efecto de Temperatura Ambiente
Principal perturbacin enfuncionamiento de plantas trmicas de
generacin elctrica.Variacin de eficiencia de las turbinas.
Afecta la temperatura a la que sucede la
combustin. Compleja de predecir
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
42/57
Efecto de Temperatura Ambiente
Eficiencia
Relativ
a
Temperatura del Aire-20 -10 0 10 20 30 40 50 60
80
85
90
95
100
105
110
115
Eficiencia
Relativa
Temperatura del Aire-20 -10 0 10 20 30 40 50
80
85
90
95
100
105
110
115
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Turbina a gas Turbina a vapor
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
43/57
Efecto de Temperatura Ambiente
Eficiencia
Relativa
Temperatura del Aire
-20 -10 0 10 20 30 40 5080
85
90
95
100
105
110
115
Modelo 1 Modelo 2
Funciones Lineales Por Tramos
Tmin (Tmax-Tmin)/2 Tmax
Eficiencia
Relativa
Temperatura del Aire
-20 -10 0 10 20 30 40 50 6080
85
90
95
100
105
110
115
Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3
Funciones Lineales Por Tramos
Tmin (Tmax-Tmin)/3 Tmax2(Tmax-Tmin)/3
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Turbinaa gas
Turbinaa vapor
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
44/57
Efecto de Temperatura Ambiente
Transiciones Repentinas
Implican daos en actuadores
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
45/57
Efecto de Temperatura Ambiente
Eficiencia
Relativa
Temperatura del Aire
-20 -10 0 10 20 30 40 5080
85
90
95
100
105
110
115
Modelo 1 Modelo 2
Lgica Difusa: Funciones de Pertenencia
Tmin (Tmax-Tmin)/2 Tmax
Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3
Tmin (Tmax-Tmin)/3 Tmax2(Tmax-Tmin)/3
Eficiencia
Relativa
Temperatura del Aire
-20 -10 0 10 20 30 40 50 6080
85
90
95
100
105
110
115
Lgica Difusa: Funciones de Pertenencia
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Turbinaa gas
Turbinaa vapor
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
46/57
Efecto de Temperatura Ambiente
Transiciones Suaves
Menor energa de control
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
47/57
Aplicacin a Nehuenco
Complejo Nehuenco: Capacidad Mx.: 852 MW
(~10% demanda)
Ubicacin: Quillota, 5taregin.
Composicin:
2 Centrales de CicloCombinado (Nehueco Iy II).
1 Central de CicloAbierto (Nehuenco III).
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
48/57
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
49/57
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
50/57
Aplicacin a Nehuenco
Control PID: Turbina a Gas.
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
51/57
Esquema de Control Predictivo Hbrido.
Optimizacin de Partida y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
52/57
Experimentos:
Op a d a da y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
53/57
Aplicacin a Nehuenco
Desempeo Control Predictivo:
p y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
54/57
Aplicacin a Nehuenco
Desempeo Control Predictivo:
p y
Detencin de Plantas Termoelctricas
Optimizacin de Partida y
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
55/57
Obtencin de controlador unificado capaz dereaccionar ante perturbaciones mediblesrespetando el despacho econmico ymaximizando las ganancias del proceso.
Mejora con respecto al esquema PID llega al3% en consumo promedio de combustible .
Esquema difuso de modelacin permiteobtener perfiles de consumo de combustible
suaves.
p y
Detencin de Plantas Termoelctricas
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
56/57
Conclusiones
La optimizacin dinmica de una funcinobjetivo con restricciones es resuelta con lateora de control predictivo.
El control predictivo permite incorporarvariables enteras y continuas en su diseo.
El control predictivo ha sido exitoso para el
control ptimo de plantas termoelctricas.
7/22/2019 Control Optimo de Plantas Termoelectricas
57/57
Control Optimo
de Plantas Termoelctricasde Ciclo Combinado
Dra. Doris Saez
Departamento de Ingeniera ElctricaUniversidad de Chile