Diseño de un sistema de control para la optimización energética y operacional del sistema principal de bombeo de agua potable de la Cervecería Bavaria

Abstract

Los sistemas de bombeo de agua son usados ampliamente en la industria para refrigeración, producción, calefacción, limpieza y saneamiento, entre otros. Además de esto, se encuentran distribuidos para procesos masivos y de alto gasto energético. El presente proyecto tuvo como objetivo diseñar un sistema de control para la optimización energética y operacional del sistema principal de bombeo de agua de la Cervecería Bavaria. Para lograr esto, se propuso realizar una estrategia de control capaz de modificar las velocidades de los motores de bomba con el fin de obtener la mejor eficiencia posible. Para ello, se realizó en primera instancia un análisis económico de las pérdidas que se tienen actualmente por el uso de bombas sobredimensionadas y por la estrategia de control actual. Seguido a esto, se seleccionaron bombas centrífugas capaces de satisfacer las necesidades de flujo y presión teniendo en cuenta el registro histórico de funcionamiento de la planta y las zonas de trabajo más frecuente. Por último, se propuso dos modelos matemáticos regidos por ecuaciones de hidráulicas en Python y Simulink capaces de controlar las velocidades de bombas para obtener la mayor eficiencia posible y el menor consumo energético, y obtener los valores de presión requeridos por los procesos subsecuentes a la estación de bombeo en la cervecería. Como resultado, se obtuvieron modelos capaces de nivelar la frecuencia de bomba con niveles de presión aceptables y con un consumo eléctrico mejor. Asimismo, se pudo evidenciar la regulación de presión ante distintos niveles de flujo requerido por todos los procesos de planta. Por último, se comparó el error de velocidades obtenido entre los dos modelos arrojando valores menores al 0.5%. En conclusión, la estrategia de control propuesta en este estudio es capaz de ahorrar costos operacionales mayores al 40% de la energía eléctrica consumida acompañado de una selección de bombas con zonas de trabajo de alta eficiencia.

Water pumping systems are widely used in industry for cooling, production, heating, cleaning and sanitation, among others. In addition to this, they are distributed for massive processes and high energy expenditure. The objective of this project was to design a control system for the energy and operational optimization of the main water pumping system of the Bavaria Brewery. To achieve this, it was proposed to carry out a control strategy capable of modifying the speeds of the pump motors in order to obtain the best possible efficiency. For this, an economic analysis of the losses that are currently due to the use of oversized pumps and the current control strategy was carried out in the first instance. Following this, centrifugal pumps capable of meeting the flow and pressure needs were selected, taking into account the historical record of plant operation and the most frequent work areas. Finally, two mathematical models governed by hydraulic equations in Python and Simulink were proposed, capable of controlling pump speeds to obtain the highest possible efficiency and the lowest energy consumption, and obtain the pressure values ​​required by the processes subsequent to the station. pumping in the brewery. As a result, models capable of leveling the pump frequency with acceptable pressure levels and with better electrical consumption were obtained. Likewise, it was possible to demonstrate the pressure regulation at different levels of flow required by all plant processes. Finally, the speed error obtained between the two models was compared, yielding values ​​less than 0.5%. In conclusion, the control strategy proposed in this study is capable of saving operating costs greater than 40% of the electrical energy consumed, accompanied by a selection of pumps with high-efficiency work zones.