USO DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA EN EL CONTROL DE PROCESO DE PLANTAS DESALADORAS

USO  DE  LOS  VARIADORES  DE  FRECUENCIA   EN  EL  CONTROL  DE  PROCESO  DE  PLANTAS   DESALADORAS   Noemí  Sánchez,  Andrea  Dapueto,   Juan  María  

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USO  DE  LOS  VARIADORES  DE  FRECUENCIA   EN  EL  CONTROL  DE  PROCESO  DE  PLANTAS   DESALADORAS   Noemí  Sánchez,  Andrea  Dapueto,   Juan  María  Sánchez  

IX  congreso   internacional  

Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012

IX  congreso   internacional  

Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012

-­‐  Variadores  de  frecuencia  vs  válvulas  de   control  en  plantas  desaladoras   -­‐  Estudio  planta  desaladora  Hpica  de  OI  de   agua  de  mar   -­‐  A  lo  largo  de  un  año,  variación  ensuciamiento   membranas  y  temperatura  agua  de  mar   -­‐  Cálculo  del  consumo  de  energía   -­‐  Resultados  y  conclusiones  del  estudio  

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Producción       Temperatura  agua  de  mar Salinidad  agua  de  mar   Número  líneas/Pasos   Membranas       Recuperación  Energía   Conversión  OI       Rendimiento  BAP     Rendimiento  motor  BAP Rendimiento  BR     Rendimiento  motor  BR  

IX  congreso   internacional  

 60.000  m3/día    15-­‐26  °C    38.000  mg/L    3/1    PA,  AE    SIP    43  %    84  %    96,4  %    85,5  %    96  %  

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Condiciones  de  funcionamiento  de  la  planta  desaladora   Tª  (°C) Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sepcembre Octubre Noviembre Diciembre

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15 15 15 16 18 22 24 26 24 22 19 16

Ensuciamiento   Pérdida   Producción   (Fouling   carga  rack   (días)   Factor) (bar) 0,85 1,5 31 0,80 2 29 0,80 2 31 0,75 2,5 30 0,75 2,5 31 0,85 1,5 27 0,85 1,5 31 0,80 2 31 0,80 2 30 0,75 2,5 31 0,75 2,5 30 0,85 1,5 28

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Solución  1  de  control  del  proceso   FIT

FE

Bomba de alta presión

Bomba de recirculación

Sistemas de intercambio de presión

FIT

FE

Qp  =  cte  =  60.000  [m3/día]/  3  [líneas]/  24  [h/día]  =  833,34  m3/h   FC  =  43  %  =  (1  –  Qs/Qa)*100  

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Solución  2  de  control  del  proceso   FIT

FE

VF

Bomba de alta presión

Bomba de recirculación

M

Sistemas de intercambio de presión

FIT

FE

Qp  =  cte  =  60.000  [m3/día]/  3  [líneas]/  24  [h/día]  =  833,34  m3/h   FC  =  43  %  =  (1  –  Qs/Qa)*100  

IX  congreso   internacional  

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Solución  3  de  control  del  proceso   FIT

FE

M

VF

Bomba de alta presión

Bomba de recirculación

Sistemas de intercambio de presión

FIT

FE

Qp  =  cte  =  60.000  [m3/día]/  3  [líneas]/  24  [h/día]  =  833,34  m3/h   FC  =  43  %  =  (1  –  Qs/Qa)*100  

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Solución  4  de  control  del  proceso   FIT

FE

M

VF

VF

Bomba de alta presión

Bomba de recirculación

M

Sistemas de intercambio de presión

FIT

FE

Qp  =  cte  =  60.000  [m3/día]/  3  [líneas]/  24  [h/día]  =  833,34  m3/h   FC  =  43  %  =  (1  –  Qs/Qa)*100  

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-­‐  Presión  de  entrada  a  membranas  →  f   (pérdida  de  carga  rack  &  temperatura  del   agua  de  mar)   -­‐  Caudal  de  entrada  a  membranas =  constante   =  QBAP  +  QBR   -­‐  Bomba  de  Alta  Presión:  2000  kW,  6  kV   -­‐  Bomba  de  Recirculación:  250  kW,  400V  

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η  

TDH  

↑  Temperatura   ↓  Pérdida  de  carga  

Caudal  

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↓  Temperatura   ↑  Pérdida  de  carga  

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Válvula  de  control  →  pérdida  de  energía  en  todas  las  condiciones   de  funcionamiento,  excepto  en  el  caso  más  desfavorable   η   ↓  Temperatura   ↑  Pérdida  de  carga  

TDH  

↑  Temperatura   ↓  Pérdida  de  carga  

Caudal   Potencia  consumida  [kW]  =  Caudal  [m3/h]  x  TDH  [m]  x  ρam  [kg/ L]  x  0,002725  /  ηb  /  ηm  

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Variador  de  frecuencia  →  pérdida  de  energía  debida  al   rendimiento  del  variador  de  frecuencia   η   ↓  Temperatura   ↑  Pérdida  de  carga  

TDH  

↑  Temperatura   ↓  Pérdida  de  carga  

Caudal  

Variador  de  Frecuencia  

Potencia  consumida  [kW]  =  Caudal  [m3/h]  x  TDH  [m]  x  ρam  [kg/ L]  x  0,002725  /  ηb  /  ηm / ηVF  

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Bomba  de  Alta  Presión   49  

Mill  kWh/año  

48,8   48,6   48,4   48,2   48   47,8   47,6   47,4   47,2   94,50%   95,00%   95,50%   96,00%   96,50%   97,00%   97,50%   98,00%   98,50%  

Rendimiento  del  variador  de  frecuencia  

Válvula  de  Control     Variador  de  Frecuencia  

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Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012

Bomba  de  Alta  Presión   Rendimiento   del  variador   (%) 95,0% 95,5% 96,0% 96,5% 97,0% 97,5% 98,0%

Aumento/disminución  de   Ahorro/coste  con   potencia  consumida  con  la   la  instalación  de   instalación  de  variadores   variadores   (kWh/año) (euros/año) 531.877,38 20.534,72 276.486,14 10.674,58 23.755,23 917,14 -­‐226.356,71 -­‐8.739,18 -­‐473.890,18 -­‐18.295,95 -­‐718.884,84 -­‐27.754,71 -­‐961.379,56 -­‐37.116,94

Precio  energía    →  0,038608  euros/kwh   Variador  de  frecuencia:  2.000  kW  6  kV  →  247.000  euros   Válvula  de  control    →  3.000  euros   Tasa  de  retorno  →  (247.000x3-­‐3.000x3)/37.116,94  =  19,7  años  

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Bomba  de  Recirculación   6,45  

Mill  kWh/año  

6,4   6,35   6,3   6,25   6,2   6,15   6,1   6,05   6   91,50%  

92,50%  

93,50%  

94,50%  

95,50%  

96,50%  

97,50%  

Rendimiento  del  variador  de  frecuencia  

Válvula  de  Control     Variador  de  Frecuencia  

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98,50%  

Bomba  de  Recirculación  

0,038608  euros/kwh  

Aumento/disminución  de   Ahorro/coste  con   Rendimiento   potencia  consumida  con  la   la  instalación  de   del  variador   instalación  de  variadores   variadores   (%) (kWh/año) (euros/año) 92,0% 41.256,32 1.592,82 95,0% -­‐161.684,45 -­‐6.242,31 95,5% -­‐194.268,30 -­‐7.500,31 96,0% -­‐226.512,75 -­‐8.745,20 96,5% -­‐258.423,05 -­‐9.977,20 97,0% -­‐290.004,38 -­‐11.196,49 97,5% -­‐321.261,80 -­‐12.403,28 98,0  % -­‐352.200,27 -­‐13.597,75 Precio  energía    →  0,038608  euros/kwh   Variador  de  frecuencia:  250  kW  400  V  →  16.800  euros   Válvula  de  control    →  9.500  euros   Tasa  de  retorno  →  (16.800x3-­‐9.500x3)/8.745,2  =  2,5  años  

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Otros  condicionantes:  

IX  congreso   internacional  

-­‐ Los  variadores  de  frecuencia  de  motores  de  media  tensión   son  equipos  complejos  que  requieren  un  mantenimiento   especializado,  aumenta  el  OPEX.   -­‐ La  instalación  de  variadores  de  frecuencia  puede  aumentar   el  CAPEX:   -­‐  En  baja  tensión  habitualmente  se  precisa  el  filtrado   de  armónicos.   -­‐  En  media  tensión  se  precisan  transformadores   dedicados.   -­‐  Las  pérdidas  de  los  variadores  de  frecuencia  son   energía  calorífica  que  pasa  al  ambiente.  Por   ejemplo  BAP:    2000  [kW]*3  [unidades]*2%  de   pérdidas*24  [horas/día]*360  [días/año]  =   1.036.800,00  kWh/año  de  energía  calorífica  al   ambiente.   Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012

Otros  condicionantes:   -­‐  Pueden  requerir  medidas  especiales  de   refrigeración:   -­‐  Refrigeración  aire-­‐aire,  agua-­‐aire.   -­‐  Extracción  forzada  directa  que  opcmice  el   sistema  de  refrigeración  .   -­‐  Instalación  de  los  variadores  en    locales   independientes.   -­‐  Instalación  de  cables  apantallados  entre  variador  y   motor  y  restricciones  de  la  longitud  del  cable.   -­‐  Los  motores  precisan  mayor  aislamiento.   -­‐  Los  transformadores  deben  tener  pantalla   electrostácca.   -­‐  Se  requieren  transformadores  desclasificados   (sobredimensionados).  

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IX  congreso   internacional  

-­‐  Según  el  estudio  realizado,  para  una  planta   desaladora  Hpica,  para  el  control  del  proceso  de  OI   con  SIP:   -­‐  Es  recomendable  instalar  variador  de   frecuencia  en  la  bomba  de  recirculación.   -­‐  Es  recomendable  instalar  una  válvula  de   control  frente  al  variador  de  frecuencia  en  la   bomba  de  alta  presión.   -­‐  No  siempre  la  uclización  de  un  variador  frente  a   una  válvula  de  control  implica  una  reducción  de   consumo  de  energía,  depende  en  gran  medida  del   rendimiento  del  variador.   -­‐  Es  recomendable  analizar  los  condicionantes  de   diseño  y  mantenimiento  que  imponen  este  cpo  de   equipo  y  las  condiciones  de  funcionamiento   esperadas  en  la  planta  desaladora  para  el  correcto   cálculo  del  Capex  y  Opex  de  la  instalación.   Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012

Muchas  gracias   USO  DE  LOS  VARIADORES  DE  FRECUENCIA   EN  EL  CONTROL  DE  PROCESO  DE  PLANTAS   DESALADORAS   IX  congreso   internacional  

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