A pesar de su enorme importancia, los sistemas de combustión son uno de los procesos con posibilidades más limitadas de regulación y control. Mientras que la sofisticación y capacidades de los sistemas de control de procesos han mejorado de forma espectacular, las posibilidades de regulación y ajuste de los quemadores industriales siguen siendo notablemente rudimentarias. En consecuencia, no se aprovechan los importantes beneficios que proporcionan los esquemas avanzados de control (incluyendo inteligencia artificial) en cuanto a optimización permanente del proceso, minimización de contaminantes, flexibilidad de operación… Por otro lado, las motivaciones son muy diversas e importantes, ya que la disponibilidad de una regulación fiable permitiría conseguir:

• aumentar la eficiencia de las instalaciones, muy importante en un mercado energético liberalizado y para la reducción de emisiones de gases causantes del efecto invernadero
• una optimización permanente, mediante detección y corrección de derivas de funcionamiento
• mayor flexibilidad de operación, con distintas cargas y combustibles
• reducir las emisiones contaminantes (en particular, NO_x)

incorporar al mercado energético nuevos combustibles, cuyo bajo poder calorífico y/o variabilidad de propiedades dificultan una combustión fiable y eficiente.

El LCI está trabajando activamente en el desarrollo de nuevos sistemas de supervisión y control de sistemas de combustión, incluyendo tanto quemadores industriales como turbinas de gas. Pueden distinguirse dos objetivos parciales diferentes: monitorización mediante sensores, y estrategias de diagnóstico y control.

Sensores de llama instalados en combustor de 100 kWt.

La principal carencia en este campo es, posiblemente, la falta de información directa sobre el núcleo del proceso: la llama. Por este motivo, un objetivo fundamental es el desarrollo de instrumentación capaz de proporcionar información sobre las características de la llama, que al mismo tiempo haga viable su implementación en sistemas reales (por coste, fiabilidad y resistencia a las condiciones ambientales). Se está investigando el comportamiento y posibilidades de distintos tipos de sensores, que incluyen:

• Detección de fluctuaciones de presión en distintos puntos del sistema, mediante micrófonos y transductores de presión.
• Análisis de la radiación emitida en distintas bandas de espectro, con distintos sensores para los rangos de UV, UV+VIS e IR.
• Captación y procesado de imágenes de la llama.

El estado de la tecnología permite desarrollar instrumentos fiables y de coste razonable, que incluyen los propios sensores y los sistemas auxiliares para instalación en la cámara de combustión.

Esta instrumentación, junto con los equipos convencionales de análisis de gases, proporcionan un conjunto de información muy completo que posibilita el desarrollo de sistemas de supervisión y control de la combustión. La siguiente figura ilustra los principales componentes del sistema.

Una de las finalidadesdel trabajo es el desarrollo de sistemas de supervisión y diagnóstico de la combustión, a partir de las señales de la instrumentación utilizada. Los sensores de llama proporcionan un enorme volumen de información (registros temporales, espectros de frecuencia, imágenes…), que es necesario procesar adecuadamente para extraer un conjunto reducido de datos, orientado al diagnóstico del estado de funcionamiento del sistema. De esta forma, se intenta proporcionar información clave para la operación: diagnóstico del estado en cada momento, detección de condiciones fuera de diseño, identificación de situaciones indeseables (p.ej., pulsaciones o despegue de llama). Se están aplicando para ello herramientas muy diversas, que incluyen análisis espectrales, correlaciones múltiples entre señales, redes neuronales artificiales… Los resultados obtenidos son muy prometedores, y han permitido establecer relaciones claras entre la información procedente de los sensores de llama y parámetros de funcionamiento (por ejemplo, condiciones de operación, grado de estabilidad, emisiones contaminantes).

A partir de un diagnóstico fiable del estado de la combustión, puede acometerse un control real del proceso actuando sobre los parámetros ajustables disponibles con el fin de alcanzar objetivos específicos. Estos objetivos pueden ser muy diversos: minimización de emisiones de inquemados o de contaminantes, corrección de inestabilidades de llama, maximización de una cierta función objetivo que combine varios criterios… o sencillamente el mantenimiento de una combustión estable al utilizar combustibles alternativos de bajo poder calorífico (p.ej., derivados de biomasa). Para ello se hace uso de diversos esquemas avanzados de control, incluyendo herramientas de inteligencia artificial, que han demostrado excelentes resultados en otras aplicaciones de gran complejidad como son los procesos químicos.

Proyectos relacionados:

“Sistema avanzado de supervisión para procesos de combustión”, Financiación: Iberdrola, Inv. Ppal: J. Ballester, 1996-97

“Control inteligente de la combustión para la optimización de la eficiencia energética y la minimización del impacto ambiental”, Financiación: DGA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1996-99

“Development of innovative instrumental techniques for coal combustion (DITEC)”, Financiación: CECA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1999-2003

“Equipamiento para desarrollo de nuevos sistemas de monitorización y control de la combustión de líquidos y gases derivados de biomasa”, Financiación: MCyT, DPI2002-11537-E, Inv. Ppal: J. Ballester, 2003-2006

“Alternative Fuels for Gas Turbines” (AFTUR), Financiación: Unión Europea, Inv. Ppal: J. Ballester, 2003-06

“Medida automática de gases en caldera para reducción de emisiones y optimización de la combustión”, Financiación: MEC – Plan Nacional de Energía, FIT-120000-2004-153, Inv. Ppal: J. Ballester, 2004-05

“Desarrollo de métodos avanzados de monitorización de llamas mediante sensores ópticos”, Financiación: E&M Combustión, Inv. Ppal: J. Ballester, 2006-07

“Diagnóstico, mejora de estabilidad y control de equipos de combustión industrial”, Financiación: MEC, ENE2007-63641, Inv. Ppal: J. Ballester, 2007-10

“Intelligent control and optimisation of power station boilers firing pulverised coal and coal/biomass blends - SMARTBURN”, Financiación: UE, RFC-PR-06026, Inv. Ppal: J. Ballester, 2008-11

“Limit cycles of thermo-acoustic oscillations in gas turbine combustors”, Financiación: UE, FP7-214905-2 (Marie Curie – Initial Training Network), Inv. Ppal: J. Ballester, 2008-11