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1 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA (ICAI) INGENIERO EN AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA SISTEMA DE CONTROL DE UNA PLANTA DESALINIZADORA EN ALICANTE AUTOR: ESTHER JARABA HERAS MADRID, Septiembre 2007

2 UNIVERSIDAD PONTIFICIA DE COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERIA (ICAI) INGENIERO EN AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA SISTEMA DE CONTROL DE UNA PLANTA DESALINIZADORA EN ALICANTE Director: José Ramón Rentero Madrid, Septiembre 2007

3 Autorizada la entrega del proyecto: Sistema de Control de una Planta Desalinizadora en Alicante Realizado por: Esther Jaraba Heras Vº Bº del Director del proyecto Firmado: José Ramón Rentero Fecha: / / Vº Bº del Coordinador de Proyectos Firmado.: Álvaro Sánchez Miralles Fecha: / /

4 INDICE DOCUMENTO I Memoria...6 Capítulo 1 Introducción Estudio de los trabajos existentes / tecnologías existentes Procesos de desalinizacion Sistemas de control Objeto del proyecto Metodología : Recursos / herramientas empleadas Capítulo 2 proceso e instalaciones Descripción de las instalaciones y análisis de funcionamiento Captación y bombeo de agua de mar Sistema de desalación Sistemas auxiliares Almacenaje e impulsión de agua osmotizada Capítulo 3 Sistema de Control Descripción funcional del sistema de control Arquitectura de control Distribución del Sistema de Control Almacenamiento y dosificación de reactivos químicos Captación de agua de mar Pretratamiento y sistema de ósmosis inversa: Post-tratamiento y sistema de agua producto. Limpieza Química Limpieza química Control Depósito Fontcalent Ingeniería de Proceso asociada al Sistema de Control Puesta en funcionamiento de un tren de proceso Secuencia de lavado de un filtro de arena (ref. Fa-101)

5 4.3 Limpieza química de un bastidor de ósmosis: Desplazamiento con agua de mar Neutralización Permisivos de arranque Disparos Actuaciones asociadas a los disparos Capítulo 4 Conclusiones DOCUMENTO II Lista de señales... DOCUMENTO III Datasheets... DOCUMENTO IV Programa de puntos de inspeccion del sistema de control (ppi)... DOCUMENTO V DOCUMENTO VI DOCUMENTO VII Codigo fuente... Pliego De Condiciones:... Planos

6 DOCUMENTO I MEMORIA -6-

7 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN 1 Estudio de los trabajos existentes / tecnologías existentes 1.1 Procesos de desalinizacion Las enormes reservas de agua del mar y aguas salubres de distintas procedencias, al mismo tiempo que las dificultades planteadas debidas a la escasez de agua dulce, han obligado a tomar en consideración las posibilidades de su tratamiento económico, y actualmente existe una corriente de interés en la realización de programas de estudio relativos a los distintos métodos de desalinización. Los procedimientos de desalinización son numerosos y responden a técnicas muy diversas; sin embargo, pueden dividirse en dos grandes grupos: Grupo 1.- El agua cambia de estado en el curso del tratamiento: A) Pasando por una fase gaseosa (destilación): Procedimiento por compresión de gases Procedimiento térmico de múltiple efecto Procedimiento térmico "multiflash" (expansiones múltiples) B) Pasando por una fase sólida: Congelación -7-

8 Formación de hidratos (Procedimiento en fase de laboratorio) Grupo 2.- El agua no cambia de estado en el curso del tratamiento. (procedimientos con membranas): C) Electrodiálisis D) Ósmosis inversa A) Destilación: La destilación se aplica especialmente en la desalinización del agua de mar. Existen diferentes métodos de destilación, que pueden agruparse según dos sistemas fundamentales: procesos térmicos y procesos por compresión. En el primer caso, la energía necesaria se suministra, en su mayor parte, en forma de calor y, en el segundo, exclusivamente en forma de trabajo, puesto que el vapor se comprime para obtener la diferencia de temperatura necesaria para el intercambio de calor. Los procedimientos técnicos, a su vez, pueden realizarse llevando el agua a ebullición (destilación de múltiple efecto), o bien impidiendo la ebullición y obteniéndose la evaporación por disminución de presión (sistema "flash"). Actualmente entre los métodos de destilación indicados, la destilación "multiflash" es la más utilizada. -8-

9 B) Congelación : La congelación del agua del mar (-1.9 C) suministra cristales de hielo puro que se separan de la solución, la cual, a su vez, se concentra en sales. Existen dos procedimientos de congelación directa: b.1) Por expansión del agua (congelación en vacío) El agua de mar se congela parcialmente a una presión absoluta de 3mm de mercurio, a -4 ºC. A esta presión se produce una evaporación, acompañada del enfriamiento correspondiente, que es el que provoca la congelación. Para mantener el vacío necesario es preciso aspirar de continuo el vapor de agua formado, pudiendo ser realizada esta operación bien por un compresor mecánico, o por absorción en una solución higroscópica (que absorbe agua). En la práctica, los problemas de compresión del gran volumen de vapor producido a baja presión son considerables. b.2) Congelación con ayuda de un agente refrigerante: Se utiliza un refrigerante auxiliar cuya tensión de vapor sea netamente superior a la del agua y que no sea mezclable con ella. El butano por ejemplo, satisface estas condiciones. El agua de mar se congela parcialmente por la expansión del butano. Este procedimiento evita los problemas de compresión inherentes a la congelación en vacío. C) Electrodiálisis : -9-

10 La electrodiálisis consiste en el paso de iones a través de membranas permeables selectivas, bajo el efecto de una corriente eléctrica. Se colocan, de forma alternativa, una serie de membranas catiónicas y aniónicas, entre dos electrodos, entre los cuales circula el agua a tratar. Las membranas, permeables sólo a los cationes o a los aniones, limitan la migración de los iones entre los dos electrodos, recogiéndose así, separadamente, una corriente de agua desmineralizada y otra enriquecida en iones. D) Ósmosis inversa Este método se basa en el empleo de membranas semipermeables que permiten el paso del agua, pero no el de sales disueltas. La tecnología de la ósmosis inversa se basa en el proceso de ósmosis, que es un fenómeno natural que se produce en las células de los seres vivos, por el cual dos soluciones de distinta concentración salina puestas en contacto a través de una membrana semipermeable tienden a igualar sus concentraciones. Si se separan por una membrana semipermeable dos compartimientos abiertos a la atmósfera, uno de los cuales contiene agua pura y el otro una solución acuosa de sales, se comprueba que el agua pura atraviesa la membrana hacia la solución acuosa de sales, aumentando la presión del lado de la solución de sales hasta alcanzar un cierto valor (presión osmótica) suficiente para anular el caudal de agua que atraviesa la membrana. Este fenómeno constituye la ósmosis directa y se da, de forma general, entre dos soluciones acuosas de diferentes concentraciones. Si se invierte el proceso y se aplica una presión en el tubo de la solución más concentrada (a través de una bomba), el movimiento se produce de la solución más concentrada a la solución mas diluida. Este proceso es lo que -10-

11 constituye la ósmosis inversa. La altura que alcanza la solución en el nuevo equilibrio es función de la presión que se aplica, de las características de las membranas y de las concentraciones de ambas soluciones. La presión osmóstica depende de la salinidad del agua: a más salinidad mayor presión osmótica, a menos salinidad menor presión osmótica -Figura 1- Figura Sistemas de control Hubo un tiempo, en que los sistemas de control estaban basados en paneles de relés electromecánicos o en sistemas de control basado en neumática. La llegada de la tecnología de estado sólido (de semiconductores) ofreció un medio de reducir costos y aumentar la flexibilidad al usar circuitos lógicos que reemplazaron a los cables, hilos, canaletas y relés. Se desarrollaron algoritmos de control más poderosos. Cada vez más se desarrollaron dejan mando más firme encima de procesos algoritmos poderosos. Sin embargo, las servidumbres técnicas -11-

12 asociadas con sistemas cerrados y distintos aumentaban al mismo tiempo que se desarrollaban los sistemas de control. A menudo es la propia naturaleza propietaria del hardware y del software el que causa estos problemas. Cada fabricante construye sus propios sistemas y proporciona todos los elementos inteligentes necesarios para su funcionamiento. Esto ofrece un único responsable técnico del sistema, pero al mismo tiempo se consigue un cliente cautivo, obligando a la propiedad a, de manera continuada, depender de este fabricante en repuestos, mantenimiento o ampliaciones de los sistemas durante todo el periodo de explotación del sistema. De esta manera, se ha establecido una práctica de infravalorar la funcionalidad y versatilidad de los sistemas de control con el fín de obtener clientes cautivos, a los que exprimir en el mantenimiento o las futuras expansiones del sistema. Incluso esta situación empeora ante la necesidad de diseñar y ofrecer la ingeniería un sistema completo,ya que en este caso, las posibilidades de elección para la propiedad se tienen que ver reducidas a un pequeño conjunto de empresas e ingenierías. Estas empresas tienden a moverse lentamente o ha desarrollar modelos de negocio basado en el cliente. Solamente basta comparar la evolución que ha tenido las prestaciones/precio de los sistemas de ordenadores con los equipamientos para los sistemas de control. -12-

13 Figura 1: Evolución de los sistemas de control En la Figura 1 se muestra la evolución de los sistemas de control. Se ha evolucionado de sistemas controlados por ordenadores con tarjetas I/O al que se cablean todas las señales, con sistemas jerárquicos, costosos de instalar, y elementos y tareas duplicadas entre los subsistemas (Figura 2) Figura 2: Control central En este tipo de control, todo el sistema cuelga y depende de un único controlador, lo que implica que un fallo en el controlador impediria el funcionamiento de todo el proceso que controla. Estos sistemas son propietarios, habiendo atado a la propiedad a un solo proveedor técnico en servicios y equipos. -13-

14 En la Figura 3, podemos ver una arquitectura de control centralizada basada en Plcs y con un sistema distribuido de toma de datos. Este segundo estado se basa en soluciones de cajas negras para poder conseguir la interoperatibilidad entre distintos proveedores. Es decir, se diseña una pasarela a medida que permita la interconexión entre equipos de proveedores diferentes. Esto conlleva una notable falta de flexibilidad ante necesidades futuras, ya que se tendrían que crear nuevas pasarelas en función de las necesidades actuales. Así mismo, crea un cuello de botella, ya que al existir una única pasarela para varios equipos, aparece una debilidad que frente a un fallo en la pasarela, se perderían todos los equipos que cuelgan de la misma. Figura 3: Control centralizado con periferia distribuida -14-

15 La Figura 4 se corresponde con una arquitectura distribuida, donde son interoperables equipos de distintos fabricantes e ingenierías. Estas arquitecturas son planas, eliminando complejos cableados, bajando los costes de instalación, mientras se eliminan los dispositivos cerrados y propietarios, arquitectura a la que corresponde la solución propuesta en este proyecto. Figura 4: Control Distribuido -15-

16 2 Objeto del proyecto El objeto de este proyecto es el suministro, diseño y puesta en explotación de un sistema de control integrado para la planta desalinizadora de la Mancomunidad de Canales del Taibilla. La planta desalinizadora de agua de mar del Canal de Alicante presenta una capacidad de producción neta de m3/día operando de forma continuada durante las 24 horas. La toma de agua de mar se realiza mediante 22 pozos playeros impulsándose un caudal de /día. Una vez superada la fase de pretratamiento, el caudal total se divide en siete líneas de producción formados por un tren de alta presión (bomba, motor y turbina) seguido por un bastidor de osmosis inversa. La conversión es del 45% (de cada 100 litros, 45 litros se convierten en agua producto y el resto es agua de rechazo) por lo que cada línea de producción obtiene m3/día de agua desalada. El proceso de desalación se realiza mediante la tecnología de ósmosis inversa con la utilización de membranas semipermeables de poliamida del tipo de arrollamiento en espiral. El agua producto es bombeada por cuatro grupos motobomba hasta un deposito regulador de m3 desde el cual se conecta con los canales propios de distribución de la Mancomunidad de los Canales del Taibilla. La solución adoptada está basada en una arquitectura completamente distribuida en aplicación de la normativa de sistemas abiertos LonMark, que elimina todos los puntos únicos concentradores de señales, y con estructura de cliente/servidor en los puestos de explotación de la planta. En la Figura 5, podemos ver con detalle la localización, y situación de las instalaciones. -16-

17 Figura 5: Plano de situación Distinguimos tres emplazamientos: Planta desaladora. Deposito de agua de Font Calent Estación de captación de agua de mar A su vez, y como refleja la Figura 6, en la planta desaladora, podemos diferenciar nuevamente dos instalaciones: Planta de Proceso Edificio de impulsión de Agua Producto -17-

18 Impulsión Agua Producto Planta Proceso de Figura 6: Plano general de la planta La comunicación entre los distintos emplazamientos se realiza de diferentes modos. Así bien, la comunicación entre los edificios de Captación de Agua de Mar, Impulsión de Agua Producto y la Planta de Proceso se realiza a través de un anillo de fibra óptica multimodo, que recorre a su vez todos los puntos interiores de los edificios y puestos de operación, comunicando todos los puntos de control. El depósito de Font Calent, se encuentra a una distancia de 8.300m de la planta. No existe línea de visión directa, lo que imposibilita una conexión microonda. Tampoco existe línea de radio, por tanto se ha optado por un sistema de comunicación GSM para el intercambio de información entre dicho depósito y la planta. -18-

19 3 Metodología : El desarrollo del proceso se ha llevado a cabo en distintas etapas: 1ª Planteamiento del problema: En primer lugar hemos tenido que familiarizarnos con el entorno en el que íbamos a trabajar y ampliar nuestros conocimientos en las tecnologías de aplicación a lo largo del proyecto. En nuestro caso con las distintas técnicas de desalación y de control de procesos. Es en esta parte del proyecto cuando se comienza a elaborar el parque de señales, que posibilitará el diseño del control a posteriori. Este parque de señales no se cierra hasta el fín del proyecto, ya que siempre surgen modificaciones. Una vez cerrado el parque de señales provisional, se desarrolla la arquitectura básica de control y se contacta con los distintos proveedores. 2ª Ingeniería de Control: Ingeniería de Detalle: cableados, bandejas de cables, consumos y potencias. Programación de Control, Diagramas de PID, dimensionamiento, lanzamiento de pedidos de Materiales, erección y montaje básicos. 3ª Pruebas en Almacén y Montaje: Según se van montando los armarios de control, se procede a realizar las pruebas básicas de que el montaje ha sido correcto y el programa se ha cargado correctamente en el plc. 4ª Pruebas en Planta y Puesta en Marcha: Una vez que se han instalado los armarios de control en la planta, en primer lugar se procede a la comprobación del cableado, posteriormente se verificarán las -19-

20 comunicaciones y por último se procederá a la puesta en marcha de la instalación. 4 Recursos / herramientas empleadas Herramientas Software o Microsoft Visio o Microsoft Word o Microsoft Excel o Microsoft Project o AutoCad o LonMaker o Codesys o Intouch Herramientas Hardware o Ordenadores Portátiles o Impresora o Ploter o Equipos de demostración Wago -20-

21 Capítulo 2 PROCESO E INSTALACIONES 1 Descripción de las instalaciones y análisis de funcionamiento. La planta desalinizadora de agua de mar del Canal de Alicante presenta una capacidad de producción neta de m3/día operando de forma continuada durante las 24 horas. La toma de agua de mar se realiza mediante 22 pozos playeros impulsándose un caudal de /día. Una vez superada la fase de pretratamiento, el caudal total se divide en siete líneas de producción formados por un tren de alta presión (bomba, motor y turbina) seguido por un bastidor de osmosis inversa. La conversión es del 45% (de cada 100 litros, 45 litros se convierten en agua producto y el resto es agua de rechazo) por lo que cada línea de producción obtiene m3/día de agua desalada. El proceso de desalación se realiza mediante la tecnología de ósmosis inversa con la utilización de membranas semipermeables de poliamida del tipo de arrollamiento en espiral. El agua producto es bombeada por cuatro grupos motobomba hasta un deposito regulador de m3 desde el cual se conecta con los canales propios de distribución de la Mancomunidad de los Canales del Taibilla. En la Figura 7 se representa el diagrama de flujo del proceso. -21-

22 Figura 7: Diagrama de bloques del proceso de desalación -22-

23 1.1 Captación y bombeo de agua de mar. El depósito de agua de mar está equipado con un transmisor de nivel sumergible y dos (2) interruptores de nivel. En el depósito de agua de mar se han instalado ocho (8) bombas sumergibles con un caudal unitario de 913,95 m3/h y una presión de impulsión de 87,5 m.c.a. Cada una de ellas está dotada de un variador de frecuencia. En condiciones nominales (producción de m3/h de agua tratada) siete (7) de las bombas estarán en funcionamiento y la bomba restante quedará en reserva, poniéndose en operación durante el proceso de enjuague de los filtros de arena. El agua de mar impulsada por las bombas es conducida a un colector común construido en PRFV de 1200 mm de diámetro que lleva el agua hasta la Planta de Proceso, donde el agua entra directamente a los filtros de arena. Un by pass permite el desvío del agua desde el colector al depósito de descarga de salmuera evitando así su entrada a dichos filtros. 1.2 Sistema de desalación En la Figura 8, se detallan los distintos emplazamientos de la planta de proceso. -23-

24 Bastidores de Osmosis (7 lineas ) Salida Filtros Cartucho (10 ) Entra Filtros de arena (18 ) Reactivos quimicos Figura 8: Distribución de la planta de Proceso Pretratamiento I: Dosificación de productos químicos Dosificación de hipoclorito sódico. La experiencia indica que el agua de mar procedente de drenes contiene menos materia orgánica y sólidos en suspensión que la procedente de una toma abierta. Cada dosificación consistirá en la adición en continuo de 2 ppm de hipoclorito sódico. El hipoclorito sódico se almacena en un tanque de PRFV de 60 m 3 de capacidad provisto de transmisor de nivel y tres (3) interruptores de nivel. -24-

25 El tanque de hipoclorito sódico está situado en el interior de un cubeto con capacidad suficiente para contener todo el hipoclorito sódico en él almacenado en caso de rotura. Este cubeto está construido con materiales resistentes a la acción del hipoclorito sódico. Para dosificar hipoclorito sódico en el agua de mar se dispone de tres bombas dosificadoras de capacidad nominal 120 l/h. Las bombas dosificadoras son de tipo desplazamiento positivo, regulables desde el 10% al 100% y provistas de servomotores eléctricos para ajuste automático de la dosificación. El accionamiento del servomotor se efectúa desde el panel de control Dosificación de ácido sulfúrico Con el fin de evitar la precipitación de carbonato cálcico en las membranas al concentrar el agua de mar, se debe corregir el ph de la misma. Al disminuir el ph del agua de mar se reduce la concentración de carbonatos en el agua, ya que estos se transforman en bicarbonatos más solubles. La adición de ácido produce además anhídrido carbónico suficiente para la posterior remineralización del agua con hidróxido cálcico. Para la corrección del ph se utiliza ácido sulfúrico al 98%. El ácido sulfúrico se almacena en un tanque de acero al carbono de 20 m3 de capacidad provisto de un transmisor de nivel y tres interruptores de nivel. -25-

26 Dicho tanque está situado dentro un cubeto con capacidad suficiente para contener todo el ácido en él almacenado en caso de rotura. Este cubeto está construido de materiales resistentes a la acción del ácido sulfúrico. Para la dosificación del ácido en el agua de mar se dispone de tres bombas dosificadoras de capacidad máxima de 50 l/h, siendo una de ellas de reserva. Las bombas dosificadoras son del tipo desplazamiento positivo, regulables de 10% al 100% y provistas de servomotores eléctricos lo que permite el ajuste automático de la dosificación. El accionamiento del servomotor se ejecuta desde el panel de control. La inyección del ácido sulfúrico en la tubería de alimentación a los filtros se realiza a través de un punto de inyección en el mezclador estático previo a los filtros de arena Dosificación de coagulante (cloruro férrico) No se prevé la dosificación de coagulante ya que el agua de mar captada mediante pozos suele ser de buena calidad y contiene pocos coloides y materia en suspensión. Sin embargo, se ha considerado instalar un sistema de dosificación de coagulante en caso de que el agua de mar llegue a la IDAM en peores condiciones de las esperadas y sea necesario eliminar la materia en suspensión y los coloides presentes mediante la formación de flóculos que serán retenidos en los filtros de arena. La adición del producto se lleva a cabo en línea lo más alejado posible de los filtros de arena para favorecer la mezcla del coagulante con el agua y -26-

27 alargar al máximo el tiempo de reacción en el agua antes de llegar a los filtros de arena. La instalación de dosificación de coagulante incluye dos depósitos de preparación de la solución con una capacidad unitaria 5,000 litros. La razón de instalar dos tanques es que se facilita la operación de la planta ya que se puede estar trabajando con un tanque mientras se prepara la solución en el otro. Los depósitos están equipados con agitadores, valvulería de aislamiento, seguridad y retención, un transmisor de nivel y tres interruptores de nivel. Para la dosificación del coagulante se dispone de tres bombas dosificadoras (una de reserva) de capacidad máxima de 120 l/h. Las bombas dosificadoras son de desplazamiento positivo, regulables desde el 10% al 100% y provistas de servomotores eléctricos para ajuste automático de la dosificación. El accionamiento del servomotor se hace desde el panel de control. Los depósitos de dilución son de PRFV y las tuberías del sistema de dosificación de PVC Dosificación de Metabisulfito Sódico Con el fin de reducir el cloro residual antes de que el agua de mar llegue a las membranas, dada la escasa tolerancia al cloro que tienen dichas membranas, se incluye este equipo de dosificación de bisulfito sódico, el cual reacciona con el cloro y con el resto de oxidantes contenidos en el -27-

28 agua de mar, tales como el oxigeno disuelto, evitando que lleguen a las membranas y las deterioren. La adición del producto se lleva a cabo en línea antes de los filtros de cartucho para favorecer la mezcla del metabisulfito en el agua y conseguir una efectiva reducción del cloro. Por si el proceso lo requiere se instalará un punto de inyección adicional después de los filtros de cartucho. La instalación de dosificación de metabisulfito sódico consta de dos depósitos de preparación de la solución de metabisulfito con una capacidad unitaria 1,500 litros y realizados en material PRFV. Se instalan dos tanques porque facilitan la operación de la planta ya que se puede estar trabajando con un tanque mientras se prepara una nueva solución en el otro. Los depósitos llevan agitadores, valvulería de aislamiento, seguridad y retención, un transmisor de nivel un y tres interruptores de nivel. La dosificación se lleva a cabo mediante tres bombas dosificadoras, siendo una de reserva. Los materiales de las bombas son los siguientes: cuerpo y cajas de PVC, asientos de polietileno, membranas de PTFE, juntas de vitón y carter-bancada de fundición. Serán regulables desde el 10% al 100% de su capacidad máxima. La regulación es automática desde panel para lo cual cada bomba esta provista de su correspondiente servomotor. Tras este equipo y después de los filtros de cartuchos se sitúa un detector ORP con alarma y registro en panel, un medidor de ph con indicación en panel, y alarmas por máximo y mínimo, con registrado. Igualmente se ha instalado un medidor transmisor de cloro libre. -28-

29 Dosificación de dispersante Con el fin de evitar la precipitación de sales al concentrarse el agua de mar en las membranas, se dosifica un dispersante. El dispersante impide la formación de las redes cristalinas de las sales, manteniendo a los iones en dispersión y permitiendo sobrepasar el límite de solubilidad de dichas sales. La adición del producto se lleva a cabo en línea y antes de los filtros de cartucho para favorecer la mezcla del dispersante con el agua La instalación de dosificación de dispersante incluye dos depósitos de preparación de la solución con capacidad unitaria de litros. Los depósitos, de material PRFV, están equipados con electroagitadores, valvulería de aislamiento, seguridad y retención, un transmisor de nivel y tres interruptores de nivel. Para la dosificación se dispone de tres (2+1) bombas dosificadoras con una capacidad nominal 10 l/h. Las bombas dosificadoras son del tipo de desplazamiento positivo, regulables desde el 10% al 100% y provistas de servomotores eléctricos lo que permite que la dosificación se ajuste al caudal de agua de mar a desalar de forma automática. El accionamiento del servomotor se opera desde el panel de control. -29-

30 1.2.2 Pretratamiento II: Filtración y Microfiltración Filtración: Filtros de arena Para la eliminación de los flóculos formados y otras partículas presentes en el agua bruta, se filtra el agua de mar a través de unos filtros de arena de un solo lecho, con dos capas de arena silícica, una de 300 mm de altura arena de talla efectiva 2 mm, y otra de 1000 mm con arena de talla efectiva 0,9 mm. El coeficiente de uniformidad en ambos casos será de 1,4. Se dispone de 18 filtros de forma cilíndrica horizontal, montados en paralelo, de tal manera, que el caudal queda repartido entre todos ellos en el proceso normal de operación. Cada filtro alberga en su interior una placa soporte equipada con las correspondientes boquillas sobre la cual se sitúa el lecho de silex filtrante. Los filtros se sitúan a la intemperie, con un cerramiento lateral. Los filtros son de 3,5 m. de diámetro y 12 m de longitud cilíndrica, lo que hace una superficie eficaz de filtración superior a 40,25 m2. Este tamaño de filtro ha sido probado con eficacia en gran cantidad de plantas de O.I., asegurando que con estas dimensiones y una operación correcta de lavado de los mismos no se producen caminos preferenciales en lecho de arena, ni pérdidas de carga importantes. La velocidad de filtración en operación normal es inferior de 8,8 m/h, y en situación de lavado de 9,3 m/h máxima. Los filtros están dotados de bocas de hombre (de inspección y ventilación de emergencia), necesarias para su inspección y mantenimiento, igualmente llevan drenajes, venteos y la instrumentación correspondiente, así como el juego de válvulas automáticas necesarias para efectuar las operaciones de lavado y puesta en servicio de una forma -30-

31 totalmente automática. Si el operador lo desea, el lavado puede hacerse de forma semiautomática decidiendo desde panel cada uno de los pasos a realizar. También puede modificarse los tiempos de cada una de las fases de lavado y entrando en el nivel de programación, cambiar el sistema de lavado. Las boquillas de los filtros de arena están estudiadas de forma que se impida la salida de la arena y que la pérdida de carga sea la mínima posible. Hay instaladas en total de 50 boquillas por metro cuadrado de superficie filtrante. Las boquillas son de material plástico resistente al agua de mar y no degradable por ésta Una vez que el caudal de paso por un filtro baje del 80% del caudal normal de trabajo, se procederá a su lavado pasando el caudal de trabajo por los otros filtros en servicio El lavado de los filtros de arena se realiza con la salmuera de rechazo de las membranas. Para el lavado se utilizan dos bombas centrífugas horizontales que aspiran de la balsa que recoge la salmuera antes del vertido al mar. Una de las bombas es de reserva. El caudal de las bombas es suficiente para que la velocidad del lavado sea de 15 m/h, que es adecuada para producir un lavado eficaz. Si se quiere lavar a doble velocidad pueden usarse las dos bombas. Una vez que el filtro ha sido lavado se enjuaga con agua de mar que se bombea desde los pozos de captación. Las bombas de lavado de los filtros de arena tienen capacidad para bombear 805 m 3 /h a 2,5 bares de presión -31-

32 El caudal de agua de lavado está controlado mediante una válvula de control situada en el colector de agua de lavado a los filtros, justo a la descarga de las bombas de agua de lavado. Para la medida del caudal de agua de lavado se dispone de un caudalímetro electromagnético instalado en el colector de impulsión de las bombas. El uso del rechazo de membranas para agua de lavado implica un ahorro energético, y de productos químicos. Además del aporte de agua de lavado mediante las bombas descritas, se dispone de dos soplantes, una en operación y otra en reserva. La inclusión de las soplantes permite asegurar un lavado efectivo, así como un ahorro notable en las aguas de lavado. Cada soplante dispone de su correspondiente filtro de aire, silenciador de ruidos, válvulas de seguridad, y aislamiento, así como los tramos de tubería con manómetros y accesorios correspondientes. Las soplantes suministran un caudal de m3/h a una presión de descarga de 1,6 barg. Las tuberías de agua de salmuera y aire de lavado son PRFV En el colector de salida de filtros de arena se dispone de una válvula de mariposa, válvula de partición del colector, que permite en el caso de que sea necesario, dividir la planta en dos circuitos independientes (SECTOR A y SECTOR B) -32-

33 Microfiltración: Filtros de cartuchos (o de afino) Una vez que el agua de mar ha recibido las dosificaciones de reactivos adecuados, y ha sido filtrada es enviada al proceso de microfiltración. Esta parte del proceso consta de 10 filtros de cartuchos de filtración en profundidad que están situados en el interior de una carcasa. Los cartuchos están construidos en polipropileno y tienen un poder de corte de 15 micras nominales y una eficiencia de eliminación de partículas del 99,6%. Estos filtros tienen la misión de retener coloides y partículas en suspensión que no han sido retenidas por los filtros de arena protegiendo las membranas, pues la más mínima partícula en suspensión al ser lanzada a presión contra las mismas podría perforarlas. Figura 10: Detalle interior filtros de cartucho Figura 9: Filtros de cartucho -33-

34 Los cuerpos para alojar los cartuchos son de material PRFV. Cada cuerpo contiene 235 cartuchos de 50 que se fijan mediante espadas y tuercas a la placa soporte. (Figura 10) Antes y después de los filtros de cartucho se han instalado tomas de muestra para la medida de SDI (indice de ensuciamiento de las membranas) del agua, con objeto de determinar la eficacia de la filtración, y la calidad del agua antes de entrar en las membranas. Tanto en el colector de entrada de filtros de cartucho como en el de salida se dispone de una válvula de mariposa, válvula de partición del colector, que permiten dividir los anillos de distribución en dos, separando la planta en dos circuitos independientes (SECTOR A y SECTOR B) A la entrada del conjunto filtrante en cada extremo del bucle se incluye: transmisor de presión y un manómetro. A la salida de los filtros de cartucho se han instalado la instrumentación correspondiente para la toma de medidas de presión, ph, conductividad, potencial redox, turbidez y temperatura. Todas estas medidas son enviadas al sistema de control para su valoración. Medidor automático del SDI (Silt Density Index) El S.D.I. es un parámetro fundamental para controlar la calidad del agua de alimentación a las membranas de Osmosis Inversa, así como un indicador esencial de la eficiencia del pretratamiento físico-químico del -34-

35 proceso. De alguna manera nos indica el poder de atascamiento que tiene una determinada agua. Dado la importancia del parámetro se ha instalado un medidor automático del S.D.I. dotado de tres puntos de muestreo en los emplazamientos siguientes: 1. Antes de filtros de arena 2. Después de filtros de arena 3. Después de filtros de cartucho Este equipo está formado por un autómata programable, servomotor, rodillos para el papel continuo de acetato de celulosa de 0,45 micras absolutas, electroválvulas y demás elementos auxiliares, todo ello incluido en un armario de poliéster con un grado de protección IP 65. Los resultados de las medidas son transmitidos al Sistema de Control de la Planta mediante señales analógicas de 4 20 ma. Igualmente se envía al Sistema de Control una señal general de anomalía del Medidor Automático de S.D.I. -35-

36 1.2.3 Ósmosis inversa Sistema de bombeo de alta presión, bomba booster y recuperadores de energía. Este grupo tiene la misión fundamental de proporcionar la presión necesaria para conseguir vencer la presión osmótica del agua de mar y las pérdidas de carga del sistema. La planta cuenta con 7 conjuntos de bombeo de alta presión, estando formado cada conjunto por una bomba de alta presión, un intercambiador de presión y una bomba booster. El modo de funcionamiento de un conjunto de bombeo de alta presión sería el siguiente: La tubería de agua de alimentación procedente de los filtros de cartucho se divide entre la aspiración de la bomba de alta presión (aproximadamente el 50% del caudal) y el intercambiador de presión (el restante 50%). El intercambiador, aprovecha la presión de la salmuera de rechazo de las membranas para cedérsela al agua de mar, de modo que el agua a presión que sale del intercambiador casi posee la presión necesaria para volver a entrar en las membranas de osmosis inversa, junto con el agua a presión de la impulsión de la bomba de alta. En la Figura 11 podemos ver los bastidores de ósmosis con sus correspondientes bombas de presión a la entrada y las válvulas de alimentación a los mismos. -36-

37 Figura 11: Bastidores de osmosis y grupos de presión Una bomba booster es la encargada de suministrar el incremento de presión que se requiere para que se unan el flujo de agua de la bomba de alta presión y el flujo de agua del intercambiador. El flujo total es conducido mediante una tubería común hasta el resto de bastidores de membranas. La bomba booster está provista de un variador de velocidad con objeto de optimizar los consumos de energía eléctrica en caso de baja salinidad del agua de alimentación, e incrementar el TDH de la bomba a medida que las membranas se van ensuciando ó que la pérdida de carga a través de los tubos de presión se incremente. Cada bomba de alta presión tiene una capacidad nominal de 412 m3/h y una presión de descarga de 67,56 bares. La bomba booster tiene una capacidad de 520 m3/h a una presión de 33,166 m.c.a. -37-

38 Cada intercambiador de presión está formado por 12 módulos modelo PX-220. De la marca ERI. En la aspiración de cada bomba de alta presión se sitúa un caudalímetro; un manómetro y un presostato, el cual producirá la parada de la bomba por baja presión de aspiración además de su registro correspondiente en el sistema de control central. En la impulsión de la bomba se dispone de un manómetro, transmisor de presión, una válvula de retención y una válvula de macho para aislamiento. En la tubería de alimentación de agua de mar a cada intercambiador de presión, se instala un caudalímetro. La regulación del caudal de agua a alta presión que sale de los intercambiadores de presión se efectúa mediante los variadores de frecuencia de las bombas booster. Y la regulación del caudal de salmuera a baja presión que sale de los intercambiadores de presión se hace mediante una válvula de regulación situada en la salida de baja presión. Los cojinetes de las bombas de alta presión y booster llevan sondas de temperatura, así como también están provistos de sondas de temperatura los devanados de los motores Bastidores de ósmosis inversa El diseño realizado corresponde a un solo paso y una sola etapa. La planta se ha modulado en 7 bastidores, teniendo en cuenta la futura ampliación -38-

39 con un bastidor más, con capacidad de producción unitaria de 411,32 m3/h (114,25 l/s). Cada bastidor tiene 122 tubos de presión y cada tubo de presión contiene siete membranas. Cada uno de los trenes es independiente lo que permite operar en siete líneas diferenciadas. Las líneas parten de un colector común y en cada una de ellas el caudal de alimentación se divide entre la aspiración de la bomba de alta presión (aproximadamente el 50% del caudal) y el intercambiador de presión (el restante 50%). El permeado producido (agua dulce) se recoge y se lleva hasta un colector común que conduce el agua producto hasta los lechos de calcita. En la tubería de salida del permeado de las membranas se ha instalado una válvula de control que lo que permite regular la presión y caudal del permeado. Además se han instalan dos transmisores de presión, y un transmisor de conductividad con el fin de validar el rendimiento de las membranas. El agua de rechazo generada en el bastidor de osmosis inversa se recoge y se distribuye a los intercambiadores de presión. En esta tubería se encuentra instalado un medidor de presión y transmisor de conductividad. Los tubos de presión de cada bastidor se hallan sobre una estructura metálica capaz de albergar hasta 128 tubos de presión. Esto nos permite tener previsto un espacio extra para el caso de que fuese necesario un aumento del número de tubos de presión a instalar. Entre la tubería que alimenta a cada bastidor y la que recoge el rechazo del bastidor está instalado un medidor de presión diferencial que indicará la -39-

40 evolución del atascamiento de las membranas. En caso de que se detecte que la calidad del permeado en alguno de los bastidores esté fuera de del rango especificado se identificará cual de los tubos de presión es el causante ya que se dispone de una toma de muestra de agua permeada. Las tomas de muestra de cada bastidor se centralizan en un panel local. En dicho panel se disponen las conexiones de tipo enchufe rápido para medir la conductividad del agua de producto en cada tubo de presión de forma manual. Además, en la salida de producto de cada tubo de presión se dispone de un conector de enchufe rápido que mediante la introducción de un tubo de toma de muestras permite comprobar la salinidad del agua producida por cada membrana del tubo de presión. Con ello tendremos una idea del estado de funcionamiento de las membranas instaladas en cada bastidor. El diseño de la ósmosis inversa se ha efectuado: Con membranas de poliamida enrolladas en espiral del tipo de alto rechazo de sales, y de dimensiones estandarizadas lo que permite la utilización de membranas de cualquier marca. Hay 7 membranas por cada tubo de presión. Considerando las peores condiciones de temperatura, para membranas limpias y sucias, y teniendo en cuenta la tasa de reposición garantizado por el suministrador de membranas. -40-

41 Figura 12: Bastidor de ósmosis inversa 1.3 Sistemas auxiliares Limpieza Química Se empleará este sistema cuando se alcance un ensuciamiento apreciable en las membranas, o se haga necesaria una limpieza por algún tipo de contaminación. Normalmente, la necesidad de realizar una limpieza química de un bastidor, se manifiesta cuando concurre alguna de estas circunstancias: Incremento de la presión de alimentación en un 10% para mantener el caudal nominal de agua permeada. -41-

42 Disminución del 10% del caudal de agua permeada para la misma presión de alimentación al bastidor. Incremento del 30% de la presión diferencial del bastidor. Los dos tipos de ensuciamiento más habituales son: Bioensuciamiento: Biopelícula que se forma sobre la superficie de la membrana a causa de crecimientos bacterianos Ensuciamiento inorgánico: Debido a la precipitación de sales de calcio, bario, estroncio,..y sílice entre otras. La limpieza periódica de los módulos es un proceso necesario desde el punto de vista de conservación y operación de los mismos. Este sistema consta fundamentalmente de un depósito donde se prepara la disolución de limpieza, cuatro grupos calefactores para calentar la disolución, un transmisor de nivel, un indicador lateral de nivel y tres interruptores de nivel (nivel alto, nivel bajo y nivel muy bajo). El producto químico seleccionado se diluye con agua osmotizada mediante un sistema de agitación constituido por eyectores y una bomba de recirculación. Se realiza la agitación del preparado de esta manera debido a las dimensiones del depósito, ya que con agitadores se comprobó que no se homogeneizaba correctamente la disolución. Una vez realizada la disolución, ésta se impulsa mediante las bombas a una presión de descarga de las bombas es 6 bares. -42-

43 Las bombas disponen de válvulas de aislamiento y retención, manómetros y tuberías de interconexión en PVC, así como un medidor de caudal. La disolución de reactivo atravesará un filtro de cartucho con el fin de eliminar pequeñas partículas presentes de reactivo que puedan quedar sin disolver. Este filtro es del mismo tipo que los utilizados en el pretratamiento del agua de mar, los cartuchos filtrantes son perfectamente intercambiables con los del pretratamiento. La disolución se introduce en la tubería de alimentación del bastidor correspondiente, justamente detrás de la válvula de aislamiento, que en este momento, lógicamente, estará CERRADA. Atraviesa los módulos lavándolos a baja presión, con lo que la mayor parte de agua de la disolución saldrá por el rechazo de los módulos junto a los precipitados disueltos y pequeñas partículas que arrastre y que constituían la suciedad de las membranas. Esta agua de salida se lleva de nuevo al tanque de limpieza, estableciéndose una recirculación de la disolución del producto químico. Conviene descargar el primer 10% del volumen de la solución recirculada, para no diluir la solución de limpieza y además evitar la colmatación del filtro de cartuchos con la suciedad eliminada de las membranas. Por la línea de producto saldrá una pequeña cantidad de agua que mediante una tubería, prevista a este fin, retornará al tanque de limpieza, al igual que el rechazo, formándose un circuito cerrado de limpieza. -43-

44 Naturalmente, cuando se verifique este proceso se deberá aislar el circuito cerrado de módulos y equipo de limpieza por lo que se disponen las válvulas con finales de carrera y accesorios a éste fin. Los productos químicos a utilizar en la limpieza de las membranas son varios y dependen de dos factores principalmente: del tipo de ensuciamiento que haya tenido lugar, y del tipo y fabricante de membranas instaladas. La limpieza consiste en un lavado ácido, un lavado alcalino y una desinfección, con aclarados entre etapa y etapa. Como ejemplo de productos químicos que se suelen usar en la limpieza química tenemos: - Ácido cítrico al 1 ó 2% (ph 2.5 a 4) para limpiezas ácidas. - Solución de hidróxido de sodio (ph 10-11) para limpiezas alcalinas. - Metabisulfito sódico como desinfectante Equipo de aclarado o desplazamiento Siempre que se produzca una parada prolongada en alguna de las líneas de ósmosis inversa, se hace necesario enjuagar con agua desalada, tanto las turbobombas como los módulos osmotizadores. De no realizarse el enjuague, los equipos turbobombas podrían sufrir corrosión y en los módulos se producirían precipitaciones de sales que perjudicarían notablemente a los mismos. -44-

45 Para este proceso de enjuague se utiliza agua osmotizada desde el depósito de agua de servicio. Para el proceso de enjuague se utilizan las mismas bombas de limpieza química, conectándolas mediante una tubería de aspiración independiente al tanque de agua de servicios. La inyección de agua de enjuague en las líneas de tratamiento se verifica en la aspiración de las bombas de alta presión y en la aspiración de las bombas de recirculación, estando la válvula automática correspondiente CERRADA en la línea principal y abierta la válvula que da acceso al enjuague de la línea sometida a este proceso. La mezcla de agua de mar y/o salmuera con el agua de producto de enjuague, saldrá por la tubería de salmuera de las cámaras de intercambio de presión al drenaje general de la instalación. El proceso de enjuague finalizará cuando la conductividad de estae agua de salida sea inferior a 2000 ohms/c. 1.4 Almacenaje e impulsión de agua osmotizada Depósito de servicios Dado que el agua se trata antes de entrar en el depósito de almacenamiento, se ha instalado para el uso interno de la planta un depósito auxiliar denominado Depósito Agua de Servicio. El agua osmotizada procedente de las 7 líneas de producción, es almacenada en dicho depósito situado en el edificio de Proceso. Este tanque está provisto de un transmisor de nivel sumergible para indicación en el Sistema de Control, válvulas de aislamiento y conexiones de drenaje y rebose. -45-

46 1.4.2 Postratamiento El agua permeada antes de ser enviada al tanque de almacenamiento, será tratada con CO2, calcita, e hipoclorito sódico, para adaptar su calidad, como agua potable. Los carbonatos de la calcita, reaccionan con el anhídrido carbónico producido por la acción del ácido sulfúrico en el pretratamiento y el dosificado posteriormente al producto, produciendo bicarbonatos y por consiguiente aumentando la alcalinidad y la dureza. La adición de hipoclorito añade el cloro necesario para la desinfección Dosificación de dióxido de carbono El equipo dosificador de CO2 consta de un depósito externo de almacenamiento con capacidad total para 30 m³. El CO2 se almacena bajo forma líquida en tanques aislados, a 20 ºC/ 20 Kg/cm². A partir de dicho tanque, el CO2 es trasegado bajo forma líquida, vaporizado y llevado a temperatura ambiente por un evaporador eléctrico. El CO2 vaporizado está conectado al correspondiente cuadro de control para permitir la expansión, medida y regulación del gas carbónico en función del caudal de dosificación de CO2 y del ph del agua a tratar. El CO2 se inyectará en la tubería de agua producto antes de entrar en los filtros de calcita Dosificación de carbonato cálcico La reacción principal que gobierna la disolución de un lecho de carbonato cálcico (calcita) es la siguiente: -46-

47 CaCO3 + CO2 + H2O = Ca HCO3 - (1) El paso por un lecho de calcita permite aumentar la alcalinidad y la dureza y reducir la corrosividad del agua desalada aumentando el índice de Langelier (LSI) hasta alcanzar los niveles exigidos por dicha normativa (± 0,5 LSI). Esta reacción alcanza un ph de equilibrio cuyo valor depende de una serie de factores como son: el ph inicial, el contenido en CO2, calcio, carbonatos, bicarbonatos, sólidos totales disueltos y la temperatura. El sistema consiste en una serie de lechos de calcita de flujo ascendente y de altura constante. Los lechos están alojados en una serie de celdas rectangulares de hormigón armado que funcionarán en paralelo, haciendo pasar el flujo ascendente del agua a través de lechos de calcita triturada a la vez que dosifican de forma continua la calcita que se vaya consumiendo por la parte superior del lecho. El número de celdas considerado será capaz de tratar una producción de m 3 /d. El funcionamiento de las celdas es como sigue: el agua entra en la parte inferior de la celda y se distribuye a través del piso filtrante con crepinas. A continuación asciende por la parte inferior del lecho de carbonato cálcico triturado y a medida que sube por el lecho el agua va corrigiendo su composición química. El anhídrido carbónico disuelto en el agua, reacciona con el carbonato cálcico del lecho formando bicarbonato cálcico soluble, con lo que aumenta el ph. -47-

48 Una vez atravesado el lecho, el agua ya remineralizada entra en una zona de remanso y abandona a continuación la celda por un vertedero perimetral. Las celdas cuentan con un silo de reserva en su parte superior así como unos pequeños conos alimentadores que guían el producto desde dicho silo de reserva hasta la superficie del lecho. De esta forma el producto se dosifica sobre el lecho por gravedad y a medida que al agua va consumiendo la calcita. La dosificación se realiza, por tanto, de forma muy lenta y sin crear turbulencias. El sistema se auto-alimenta según la demanda natural del agua. El silo de calcita permite un funcionamiento autónomo de la celda de varias semanas. El producto en el silo de reserva permanece seco. El carbonato cálcico se humedece solo en los tubos de bajada hacia el lecho, pero dado que el material es relativamente inerte, esto es que no absorbe agua ni disuelve fácilmente, no hay problemas de obstrucción. Las celdas disponen de bocas de carga en la parte superior para la recarga de producto. La recarga se realiza manualmente por medio de un puente grúa que se desplaza sobre las bocas de carga de las celdas Dosificación de hipoclorito sódico El equipo de dosificación de hipoclorito sódico usará como depósitos de almacenamiento los mismos que el de pretratamiento, existiendo tres -48-

49 bombas dosificadoras exclusivas para la dosificación en postratamiento. Las bombas dosificadoras son similares a las de pretratamiento. La dosificación de hipoclorito se realiza en el depósito de agua tratada Depósito de agua producto Tras la fase de postratamiento, el agua osmotizada (agua producto ya por haber finalizado todos los tratamientos) se almacena en un depósito de hormigón de m 3 de capacidad. Este tanque está provisto de un transmisor de nivel sumergible para indicación en el Sistema de Control, válvulas de aislamiento, conexiones de drenaje y rebose Impulsión de agua tratada La impulsión de agua tratada se realiza mediante un conjunto de 3 bombas. Su propósito es bombear el agua tratada hasta el depósito de Fontcalent ubicado aproximadamente a m. a través de una línea de conducción de acero al carbono. El sistema de bombeo está formado por 2+1 bombas, con una capacidad por bomba de m 3 /h con una presión de 110 m.c.l. Las bombas estarán dispuestas de tal forma que succionan directamente del tanque descargando en un único colector fabricado en tubería de acero de mm. En la impulsión de cada una de las bombas se ha instalado un manómetro y un transmisor de presión para controlar la presión de descarga en el colector. -49-

50 En el colector de impulsión se han instalado un caudalímetro, un medidor de conductividad, un medidor de ph y un medidor de cloro libre. Las medidas generadas por estos instrumentos son registradas en el sistema de control y generando las alarmas correspondientes si alguna de las medidas se sale fuera de los rangos prefijados. -50-

51 Capítulo 3 SISTEMA DE CONTROL 1 Descripción funcional del sistema de control La ingeniería distribuida se basa en el análisis funcional por elementos que forman parte de una instalación. La idea general obedece al principio de considerar que una instalación no es ni más ni menos que un conjunto de unidades independientes denominadas nodos o elementos funcionales ; que disponen de una cierta autonomía y que en determinadas situaciones pueden interactuar entre sí de forma continuada o temporal. Aplicando el concepto anterior a la instalación de la desaladora podemos establecer como unidades independientes a modo de ejemplo, cada una de las bombas de impulsión de agua de mar, cada filtro de arena, cada bomba de alta presión, cada uno de los aditivos químicos, etc. Si observamos con detenimiento, nos damos cuenta que las unidades citadas como elementos funcionales pueden tener mayor o menor complejidad, es decir, pudieran llegar a ser tan sencillas como un instrumento de campo o con la complejidad de un conjunto de elementos como un aditivo químico que engloba la arqueta, el mezclador, las bombas de dosificación, los instrumentos de nivel del aditivo, la consigna de dosificación, etc. También se ha de resaltar que un elemento funcional visto como un bloque de programación, no sólo esta compuesto de entradas y salidas físicas sino que incorpora entradas y salidas lógicas como podrían ser enclavamientos procedentes de otros elementos funcionales o -51-

52 entradas/salidas de operación como pudiera ser la demanda de dosificación del aditivo. Desde el punto de vista de la estrategia de control tanto el caso de una bomba de impulsión de agua de mar (elemento funcional) como la adición de metabisulfito (elemento funcional) no son ni mas ni menos que unos bloques de programación con unas patitas de entrada y con unas patitas de salida que se encargan de su funcionamiento bajo cualquier circunstancia. Profundizando en el concepto y a modo de ejemplo podríamos analizar el caso de una bomba de alta presión considerada como elemento funcional. El bloque de control dispondría quedar de la forma siguiente: a. Entradas del bloque de la bomba de alta presión: - Temperatura de cojinetes (física Entrada Digital) - Temperatura del tren de alta presión (física Entrada Digital) - Temperatura del bobinado (física Entrada Digital) - Temperatura de agua filtrada (física Entrada Digital) - Presostato de admisión (física Entrada Digital) - Presión de agua filtrada (Variable de Red) - ph del agua filtrada (Variable de Red) - Conductividad del agua filtrada (Variable de Red) -52-

53 - Caudal de impulsión de agua de mar (Variable de Red) - Bomba de impulsión de Agua de Mar nº1 en marcha (Variable de Red) - Bomba de impulsión de Agua de Mar nº2 en marcha (Variable de Red) - Bomba de impulsión de Agua de Mar nº3 en marcha (Variable de Red) - Bomba de impulsión de Agua de Mar nº4 en marcha (Variable de Red) - Bomba de impulsión de Agua de Mar nº5 en marcha (Variable de Red) - Bomba de impulsión de Agua de Mar nº6 en marcha (Variable de Red) - Bomba de impulsión de Agua de Mar nº7 en marcha (Variable de Red) - Bomba de impulsión de Agua de Mar nº8 en marcha (Variable de Red) - Orden de marcha/paro (Operaciones) - Porcentaje de apertura de válvula entrada a Bomba Alta Presión (Operaciones) - Número de arranques en la última hora (Interno) - Etc. b. Salidas del bloque de la bomba de alta presión: - Marcha/Paro de la BAP - Abrir/Cerrar bypass BAP - Presión de salida de la BAP - Etc. -53-

54 c. Bloque de la bomba de alta presión: Configuración de ingeniería necesaria para preservar las condiciones de funcionamiento de bomba. Análisis de los enclavamientos de arranque, de los enclavamientos de funcionamiento, de las decisiones de operación de los operadores de planta, etc. Una vez alcanzado este punto de detalle, la ingeniería se vuelve sencilla al tener sólo que enlazar los diferentes bloques creados para controlar el funcionamiento de la planta. Aclarada la programación resta decidir si toda esta programación puede residir en un único nodo o si bien como apuesta la ingeniería distribuida debe haber un nodo por cada elemento funcional creado. En el caso que nos ocupa, se apuesta por esta segunda opción puesto que permite aportar las siguientes ventajas: Intercambiabilidad de los elementos Mejora de la velocidad del sistema Mejora de la disponibilidad del sistema Reducción de los costes de mantenimiento y Explotación Velocidad de instalación y puesta en marcha Flexibilidad ante mejoras y ampliaciones Ahorro de costes de instalación -54-

55 De acuerdo con esta filosofía se han instalado 64 Nodos para los 64 elementos funcionales considerados (elementos que deberán ser aprobados por la ingeniería de la propiedad). Estos equipos estarán instalados en cajas con IP65 en campo cerca de la instrumentación minizando el cable de señales enormemente. La conexión entre ellos será mediante una red Ethernet redundante en doble anillo de fibra óptica, dotada de switches redundantes inteligentes que permiten diferentes cortes de cable de la propia red o en los equipos de comunicaciones, puesto que admiten la busqueda inteligente de los diferentes nodos. Protocolos como LonWorks, lo que facilitan es el intercambio eficiente de la información entre nodos y certificaciones como la LonMark lo que garantizan es compatibilidad de elementos de la red. El sistema de control consta de una arquitectura abierta y uniforme que utiliza la norma EIA 709.1, el protocolo LonTalk, como protocolo común de comunicaciones entre todos los dispositivos que controlan y que son controlados. Si es necesario o si se desea, los paquetes de LonTalk que se encapsula en mensajes TCP/IP para aumentar la anchura de banda de la red. El objetivo del control de la planta de desalinización es conectar sin fisuras dispositivos sin tener en cuenta el tipo de subsistema, es decir, que coexisten fácilmente en el mismo canal de la red dispositivos de control de variadores de frecuencia, analizadores de parámetros eléctricos, mediciones químicas del agua,etc. -55-

56 El sistema se configura de manera modular y extensible, así como fácil de reconfigurar. Todas las pantallas de manejo desarrollados, tanto de la aplicación de mando como de la aplicación de mantenimiento, se entregan a los operadores en lengua española, así como la documentación de uso de las mismas. Se facilitará al personal propio, las herramientas, documentación y formación necesaria para el adecuado mantenimiento y adaptaciones del sistema a las nuevas configuraciones de la planta. Los puestos de control siempre necesitarán una doble conformidad a una orden dada por parte del personal, para evitar posibles malas manipulaciones del sistema. Incluso en las estaciones táctiles se habilita un modo de limpieza, para poder proceder a su higiene, sin que por ello se produzcan órdenes no deseadas. Caso de caída o perdida de información en el sistema de control, o de detección de alguna alarma o mal funcionamiento en el mismo, este mostrará las alarmas acústicas y de señalización correspondientes. El canal de comunicaciones principal, que en este caso se contempla en fibra óptica multimodo 62,5/125 con routers y pasarelas entre Ethernet. -56-

57 Esta arquitectura sobre una red troncal en Ethernet Industrial, permite el acceso de forma estándar a la información del sistema. La estructura de cliente/servidor realizan en estos dos puestos de trabajo permite estructurar el reparto de recursos del sistema según sean necesarios, tratando de manera coherente la gestión de eventos, alarmas, gradientes, recetas, así como permite el acceso rápido y fácil a la información para la realización de informes y análisis de datos. Esta capa de control de nivel superior concebida como interfaz de los operadores sobre el sistema, monitoriza y ejecuta las órdenes del personal de control de la planta, si bien la inteligencia de todo el proceso se concibe e instala de manera distribuida hasta conseguir que el fallo en cualquiera dispositivo no implica la perdida de disponibilidad en el proceso. Esta inteligencia distribuida en planta, permite la más alta concepción modular del sistema. -57-

58 2 Arquitectura de control Con la arquitectura de control distribuida que se muestra en la figura de la planta desalinizadora, la propiedad puede llegar a utilizar si fuera necesario, conexiones vertebrales de alta velocidad para transporte de información en la red. Como se presenta en la arquitectura de la planta, se utilizarán enrutadores entre segmentos de canales, en vez de pasarelas. Los mensajes del bus de campo son encapsulados en paquetes TCP/IP y son enviados a través de una red TCP/IP. Con esto se consigue que de una manera harto sencilla, y estandarizada, los sistemas sean fáciles de instalar, monitorizar y mantener ya que todo el sistema está integrado en una red con completa conectividad entre todos sus puntos. Esta arquitectura queda reflejada en la Figura

59 C A x 1x 8x 2x 9x 3x A 10x 4x 11x 5x 12x 6x 7x 1x 8x 2x 9x 3x B 10x 4x 11x 5x 12x 6x C A x 1x 8x 2x 9x 3x A 10x 4x 11x 5x 12x 6x 7x 1x 8x 2x 9x 3x B 10x 4x 11x 5x 12x 6x SD Media Converter _ 5VDC. 1A + RX UP LINK TX LINK PWR LINK Sistema de Control de una Planta Desalinizadora Ethernet Ethernet Figura 13: Arquitectura de control -59-

60 Los beneficio en la instalación de control horizontal o plano como la propuesta para la desalinizadora son: Un amplio abanico de dispositivos con conectividad Una gran variedad de HMI y herramientas de administración de red de múltiples fabricantes Una drástica reducción de los cableados Un ciclo de diseño más corte, sin hardware a la medida o programaciones específicas. Aumento de la fiabilidad al desaparecer los puntos débiles centrales de fallo único Múltiples opciones para mantenimiento y ampliaciones Facilidad de integración de nuevas funciones a deseo de la propiedad Los puntos a controlar para diseñar el proyecto constructivo de control para la planta desalinizadora con este tipo de arquitectura son pocos conceptos clave pero básicos : 1. Un cableado de red inteligente La base para un sistema de control abierto es un cableado adecuado. Se debe de garantizar la facilidad para rápidamente poder modificar o añadir un medio de comunicación físico al sistema para integrar nuevos dispositivos. Para ello se requiere que de manera coordinada, la propiedad y el integrador de red que diseña la estructura de comunicaciones contemplen todas las funciones a integrar en el -60-

61 sistema, según los deseos de la propiedad y los utillajes y maquinaria necesaria para asegurar la conectividad. 2. Una administración y una herramienta de red estándar Las herramientas de red estándar proporcionan los servicios de red necesarios y los interfaces públicos para la infraestructura. Estos servicios permiten a múltiples herramientas de múltiples vendedores coexistir en la red, e incluso algo más importante como es que puedan trabajar de manera simultanea. En los nuevos mercados de sistemas de control abiertos, los fabricantes no necesitan crear un sistema de control entero. Los fabricantes pueden centrarse en ser los mejores, optimizando su actividad, en los dispositivos y servicios de su interés. Este hecho, y la optimización y deseo de mejor uso de sus estructuras, ha conseguido que miles de fabricantes se centren en la producción de mayores cantidades de sus dispositivos específicos, donde tengan mejor posicionamiento. Las herramientas de red incluyen herramientas de administración de las mismas, así como interfaces hombre-máquina, almacenadores de registros y otras. El beneficio es el uso de esta herramienta para todo el sistema completo, o para cualquier parte de ellas o una parte de ella. Es posible incluso elegir cualquier herramienta para un proyecto sobre la base de su funcionalidad específica para ese proyecto, más que en características físicas de los dispositivos. 3. Mensajes estándar entre dispositivos Es crucial que los dispositivos instalados en la infraestructura común compartan información sin esfuerzo. Así, el cuarto punto es controlar -61-

62 que se pudiera comunicar la información entre dispositivos gracias a unas directrices comunes en las comunicaciones. Como se determinó previamente, esto significa que los dispositivos deben de utilizar variables estandarizadas de comunicación. 4. Configuración estandarizada de dispositivos Recordemos que de acuerdo a nuestra definición de un dispositivo abierto, este debe no solamente soportar comunicaciones estandarizadas, sino que este debe de soportar un interface estándar de configuración. Aunque es más sencillo para el fabricante simplificar la documentación y la configuración de sus interfaces de sus dispositivos, es mejor ofrecer pequeños programas de configuración que puedan correr dentro de las herramientas de red. Esto permite que herramientas de diferentes fabricantes puedan instalar y configurar sus equipos rápida y fácilmente. 5. Soporte TCP/IP Un sistema de control abierto debe de ofrecer la habilidad de ser encapsulado en los datagramas de TCP/IP. Los mensajes pueden pasar a través del mundo sin la translación a otros protocolos. El coste de transmisión es mínimo y la habilidad de explotación de las infraestructuras mundiales existentes es directa. 6. Pasarelas solamente en sistemas subsidiarios El último punto a tratar en un sistema de control abierto, en un sistema de control abierto son las pasarelas, y que debe de ser uno de los puntos a tener más en cuenta. A cualquier punto del sistema donde los -62-

63 mensajes entre dispositivos sea mapeada para pasar de un protocolo de comunicación a otro., Significa el fin de la estructura abierta. El mapeado de mensajes de un protocolo a otro es realizado vía un gateway o pasarela. Las pasarelas solamente deben de ser utilizados para interconexión con sistemas subsidiarios y siempre con la autorización expresa del director de obra. Las pasarelas son cuellos de botellas en el flujo de información. Las necesidades de potencia de procesamiento, exige además, costes adicionales. Las pasarelas además, requieren esfuerzos de programación y conocimiento al estudiar que información debe de tratarse. Finalmente, las pasarelas son difíciles de mantener. Cualquier cambio a su derecha o a su izquierda debe de ser estudiado para ver si hay que actualizar la pasarela. Como las pasarelas son cambios de estructuras, esto implica adicionalmente herramientas distintas a derecha e izquierda. Por lo tanto no es posible unificar el sistema con una herramienta de administración única. Al mismo tiempo, se debe tender a una arquitectura de control lo más distribuida posible, con el fin de aumentar la robustez del sistema. -63-

64 3 Distribución del Sistema de Control Para la el control de la planta, se ha subdividido la misma en las áreas siguientes: Almacenamiento y dosificación de reactivos químicos Captación de agua de mar Pretratamiento y Sistema de Ósmosis Inversa Post-tratamiento y sistema de agua producto Limpieza química Control Depósito Fontcalent En cada una de estas zonas, se han instalado un pequeño plc (nodo de control) en cada elemento sujeto a control, asegurando así el correcto funcionamiento de la planta en caso de fallo de cualquiera de sus elementos, pudiendo trabajar si no al cien por cien, sí con el mayor número posible de líneas en funcionamiento. La conexión entre cada uno de los nodos se realiza mediante cable de red con protocolo LonWorks, mientras que las comunicaciones entre las distintas zonas de la planta se realizan a través de fibra óptica multimodo, garantizando así: Insensibilidad a interferencias electromagnéticas -64-

65 Seguridad: las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es también segura y no puede ser perturbada. Carencia de señales eléctricas en la fibra, por lo que no pueden dar sacudidas ni otros peligros. Son convenientes por lo tanto para trabajar en ambientes explosivos. Liviandad y reducido tamaño del cable capaz de llevar un gran número de señales. 3.1 Almacenamiento y dosificación de reactivos químicos A continuación se presenta un esquema de la arquitectura propuesta para la zona de almacenamiento y dosificación. Se ha seguido la tendencia de situar un nodo de control por cada elemento a controlar, excepto en aquellos que por cercanía de los elementos de campo se ha creído conveniente la concentración de señales en un mismo nodo. La nomenclatura utilizada se ajusta a las siglas de la parte del proceso a la que pertenece cada nodo. Así por ejemplo, los nodos de control de almacenamiento de Reactivos Químicos vienen marcados como RQI(Reactivos Químicos I) y RQII (Reactivos Químicos II) Como se puede observar en la figfigura 13, la arquitectura es simétrica para cada uno de los distintos reactivos químicos, por tanto nos centraremos en detalle en uno de ellos siendo extrapolable todo lo mencionado en relación a dicho reactivo para todos los demás. Fijándonos en el sistema de dosificación del cloruro férrico, se ha dispuesto un nodo de control RQII-001 para controlar la bomba de -65-

66 trasiego. En cada uno de los depósitos, se han instalado sendos nodos de control con el fin de controlar las señales de nivel, así como el funcionamiento de los agitadores (RQII-005 y RQII-006) respectivamente. El control necesario en cada depósito sí difiere entre los distintos tipos de reactivos químicos, siendo necesario el control en determinados depósitos de termorresistencias y otros instrumentos de medida. Todas las diferentes señales correspondientes a cada uno de los depósitos se encuentran detalladas en el listado de señales incluido en el anexo 1. El nodo RQII-003 integra el control de las tres bombas dosificadoras de producto. En el caso de la Sosa Cáustica, se ha dividido la dosificación en dos nodos de control, uno por cada línea de dosificación. Figura 14: Reactivos quimicos I -66-

67 Figura 15: Reactivos quimicos II 3.2 Captación de agua de mar Debemos controlar el nivel del pozo de captación de agua de mar. Para ello se dispone de un transmisor ultrasónico de nivel y de dos interruptores de nivel, uno de nivel muy bajo y el otro de nivel bajo. Es necesario controlar el correcto funcionamiento de cada una de las ocho bombas de impulsión instaladas, así como el consumo de cada una de ellas. El agua es impulsada a través de tuberías controladas por válvulas motorizadas. Cada una de estas válvulas será accionada y controlada (posición abierto/cerrada) por el sistema de control. Así mismo, se han instalado elementos de medida en cada una de las tuberías. Se dispone de dos bombas de vaciado, conectadas a las correspondientes tuberías de vaciado así como de una bomba de bombeo a saladar, con su correspondiente conexión a la tubería al saladar. El funcionamiento de estas tres -67-

68 bombas será tanto automático como manual, debiendo controlar el correcto funcionamiento de las mismas pero no siendo necesaria el cálculo de consumos. Se ha seguido la tendencia de situar un nodo de control por cada elemento a controlar, excepto en aquellos que por cercanía de los elementos de campo se ha creído conveniente la concentración de señales en un mismo nodo. En la Figura 16, se detalla la ubicación de cada nodo así como la instrumentación. Figura 16: Captación agua de mar Nodo CAM : Cada uno de estos nodos recoge la información de la bomba de captación de agua de mar correspondiente tales como: - Control de frecuencia bombas agua de mar BS Confirmación de funcionamiento bomba agua de mar BS-00 - Motor bloqueado BS-00 - Fallo por protección BS-00 - Velocidad del variador BS

69 - Orden de marcha/paro BS-00 - Intensidad de fases - Potencia activa - Potencia reactiva - Señal L,O,R 3.3 Pretratamiento y sistema de ósmosis inversa: Aquí contemplamos el control de los filtros de arena y la balsa de salmuera. Se ha situado un nodo de control por cada línea de agua, a excepción de las líneas finales de cada grupo, que por cercanía se ha optado por integrarlas en un único nodo de control. Se ha incluido un nuevo nodo para el control de la balsa de salmuera, y otros dos para cada una de las bombas conectadas a dicho depósito. Para el control de los soplantes se han dispuestos nodos independientes en cada uno de ellos, con el fin de asegurar el funcionamiento de al menos uno de los dos. El esquema detallado seria el siguiente: -69-

70 Figura 17: Filtros de arena y balsa de salmuera En el caso de las bombas de Alta Presión y los bastidores, aun cuando estos elementos se encuentran integrados en la misma línea, se han dispuesto en módulos independientes debido al elevado número de señales que reúnen entre los dos y a las barreras físicas existentes entre ambos. -70-

71 Figura 18: Filtros de cartuchos y bastidores de ósmosis 3.4 Post-tratamiento y sistema de agua producto. Limpieza Química. Se sigue la misma línea de trabajo, un nodo de control por cada línea, un nodo de control por bomba y un nodo de control por depósito. En aquellas zonas donde se requiera control, pero se encuentren alejadas o aisladas del resto, se instalará un nodo de control adicional independientemente de la línea a la que pertenezcan. -71-

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