Eficiencia Energética desaladora de Alicante II: Primera desaladora en funcionamiento del Plan Agua

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1 COMUNICACIÓN TÉCNICA Eficiencia Energética desaladora de Alicante II: Primera desaladora en funcionamiento del Plan Agua Autor: Antonio Ordóñez Fernández Institución: OHL Medio Ambiente. INIMA Otros autores: Joan Galtés (Energy Recovery, Inc(ERI)) y Borja Blanco (Energy Recovery, Inc(ERI))

2 RESUMEN: La desaladora de Alicante II con capacidad de producción de m3/día, primera IDAM del Plan AGUA, fue puesta en marcha a principios del 2008 y permitirá liberar caudales del Tajo-Segura, así como reducir el aporte de agua procedente de los acuíferos de Villena. La IDAM de Alicante II, ha sido construida por la unión temporal de INIMA, OHL, Construcciones Alpi, y Sampol. La planta está constituida por siete (7) bastidores de m3/d de capacidad de producción, incluyendo siete (7) bombas de alta presión cada una dedicada a un tren respectivamente, las cuales suministran el 45% del flujo de alimentación a los bastidores de Osmosis Inversa. El 55% de caudal restante de agua de alimentación en línea de alta presión es proporcionado por siete (7) grupos de Sistemas de Intercambio de Presión (SIP). Cada SIP está constituido por doce (12) unidades PX-220 Pressure Exchanger de Energy Recovery, Inc., junto con siete (7) bombas booster de recirculación. Dos de las características particulares en el diseño de las agrupaciones de recuperadores de energía en esta planta son: (a) La redundancia de equipos y las ventajas que ello conlleva a nivel de flexibilidad de operación y (b) La instalación de los equipos en una cámara inferior a los bastidores. Los autores de este artículo describen las características técnicas y particulares de diseño de la IDAM ALICANTE II en términos de optimización en recuperación de energía debido a su bajo consumo eléctrico por metro cúbico de agua producido, y especialmente con el propósito de presentar datos reales de una de las plantas que aporta uno de los diseños más eficientes e innovadores a nivel de desaladoras que están operando en la Comunidad Europea en la actualidad. 2

3 1. INTRODUCCIÓN La desaladora de Alicante II con una capacidad de producción de m3/día y puesta en marcha a principios del 2008, es la primera IDAM del Plan AGUA. Figuras 1 y 2. Foto aérea y del edificio de control de la planta en fase de construcción Ha sido construida por la unión temporal de INIMA, OHL, Construcciones Alpi y Sampol, y está ubicada en el tramo costero comprendido entre Agua Amarga y playa de El Altet, y en la parcela anexa a la desaladora previamente construida: Alicante I. La entrega del agua producida se realiza en el depósito de Foncalent, localizado al Oeste de esta ciudad. Permite el suministro directo a la parte Oeste de la población o, a través del último tramo del Canal de Alicante, hace llegar el agua a los depósitos de Rabasa, final del canal. 2. DISEÑO DE LA PLANTA El diseño de la planta y la elección de la línea de tratamiento responden a los requerimientos de producción, calidad de agua de mar y calidad de agua tratada así como al know-how de las empresas. A continuación se expone una breve descripción de la línea de tratamiento adoptada así como de las peculiaridades e innovaciones introducidas en su diseño. Línea de Tratamiento La planta ha sido diseñada para un 45% de conversión y está constituida por siete (7) bastidores de m3/d de capacidad, cada uno de ellos formado por una (1) bomba de alta presión y un (1) sistema de recuperación de energía: (1) bomba booster y 12 recuperadores PX. En la tabla siguiente se muestran las características más importantes de la línea de tratamiento: 3

4 Tabla 1 Características principales de la línea de tratamiento CAPACIDAD CALIDAD DEL AGUA OBTENIDA TIPO DE TOMA PRE-TRATAMIENTO BOMBEO ALTA PRESIÓN SISTEMA DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA BASTIDORES OI POST-TRATAMIENTO BOMBEO AT m3/día Según normativa de calidad de las aguas para abastecimiento (RD 140/2003) Tunel de 1 km y diámetro π metros con 104 drenes. Asimismo, se han perforado por debajo del mar 3 perforaciones horizontales dirigidas, que arrancan junto a la boca de entrada del túnel y 8, junto a la de salida, de 350 a 500 m de longitud. (7+1) Bombas sumergidas con variador de frecuencia Caudal unitario=913,95 m3/h P=87,5 m.c.a Dosificaciones Físico: químicas: o Hipoclorito o 18 Filtros de Arena o Cloruro férrico o 10 Filtros de o Metabisulfito Sódico Cartuchos o Dispersante o Sosa o Ác. Sulfúrico (7+1) Bombas de Alta Presión. Caudal unitario=411,32 m 3 /h P = 655,652 m.c.a (7+1) Bombas Booster Caudal unitario= 520 m 3 /h TDH= 33,166 m.c.a. (12) unidades modelo PX-220/bastidor (7) bastidores o 128 tubos/bastidor o 7 membranas Dow Chemical/tubo (6)SW30HRLE-400i + (1) SW30XLE- 400i Conversión: 45% Lechos de Calcita + CO2 o 32 celdas (10 m2/celda) Dosificación Hipoclorito (2+1) Bombas de cámara partida Caudal unitario = m3/h P=115 mca Peculiaridades del Diseño A. Toma de agua de mar El sistema de captación está constituido por un túnel de un (1) kilómetro de longitud y π metros de diámetro, paralelo a la línea de costa con 104 drenes, que se complementan con once (11) drenes dirigidos, realizados en los extremos del túnel. 4

5 Figuras 3 y 4. Fotos de bombeo en la cántara y túnel de captación en fase de construcción El agua drenada es recogida en una cántara de 30 metros de diámetro y bombeada por un sistema de (7+1) bombas centrífugas sumergibles con un caudal unitario de 913,95 m3/h y una presión de impulsión de 87,5 m.c.a, situadas en la propia cántara y provistas cada una de ellas de un variador de frecuencia. Es la primera vez que se utilizan bombas sumergibles de esta capacidad para agua de mar. Estas bombas están protegidas mediante un sistema de protección catódica instalado en la cántara. B. Flexibilidad de operación Los colectores de salida de filtros de arena, de entrada y salida de filtros de cartucho y aspiración de las bombas de alta presión disponen 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. Este sistema facilita la operación de la planta permitiendo aislar sectores cuando sea necesario ante cualquier eventualidad sin tener que llevar a cabo la parada completa de la planta. Figura 5. Esquema de los sectores de la planta 5

6 C. Diseño del sistema de recuperadotes PX El sistema de recuperadores PX es innovador por dos motivos: - Ubicación: las unidades recuperadoras PX están situados en una galería subterránea para atenuar el ruido dentro de la nave. - Instalación de un recuperador de energía adicional al de diseño por línea para garantizar el caudal de diseño en caso de fallar un recuperador de energía o con previsión de mayor flexibilidad de la planta. D. Lechos de Calcita Primera desaladora en España con remineralización mediante lechos de calcita. El diseño consiste en una serie de lechos de calcita de flujo ascendente y de altura constante. Los lechos están alojados en 32 celdas rectangulares de hormigón armado de 10 m 2 cada una, que funcionan 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 va consumiendo por la parte superior del lecho. E. Sistema de control El sistema de control está basado en una Arquitectura de Control Distribuida (DSC). Este tipo de arquitectura elimina la figura del PLC central ó maestro el cual es el encargado de controlar toda la planta, sustituyéndolo por 64 PLC s interconectados entre ellos que se encargan únicamente de controlar la máquina o la parte del proceso que tienen configurado. Las ventajas de este sistema son las siguientes: - Diseño funcional por equipos. - Mejora de la velocidad del sistema - Mejora de la disponibilidad del sistema. - Reducción de los costes de mantenimiento y Explotación. - Flexibilidad ante mejoras y ampliaciones. 3. ANÁLISIS DE DATOS DE OPERACIÓN. El objetivo principal de esta sección es intentar comparar los datos de funcionamiento de diseño teóricos frente a los valores reales de trabajo, con el fin de analizar las posibles repercusiones en términos de eficiencia energética y flexibilidad de operación. Los datos que se muestran a continuación se han tomado de valores promedio del mes de junio de Herramientas de trabajo utilizadas: - Curvas de funcionamiento de las bombas de alta presion y bomba de circulación (Figura 6 y 7) - Power Model de Energy Recovery, Inc, (Figura 8) - ROSA de Dow Chemicals. 6

7 ALTURA RENDIMIENTO 100% 90% % 700 y = -9E-13x 4 + 9E-10x 3-5E-06x x + 5E-05 70% Altura (m) % 50% 40% Rendimiento % % % 0 0% Caudal (m3/hr) Figura 6. Curva de eficiencia de bomba de alta presión Caudal de diseño: 397 m3/h, Altura: 637 mca, Eficiencia de la bomba: 82.5%, Eficiencia del motor: 95% % 90 RENDIMIENTO % 90% 80 80% 70 y = -8E-13x 4 + 3E-09x 3-5E-06x x - 9E-05 70% Altura (m) ALTURA 1475 rpm 60% 50% 40% 30 30% 20 20% 10 10% Caudal (m3/hr) Figura 7. Curva de eficiencia de Booster de circulación Caudal de diseño: m3/h,altura: 32,2 mca, Eficiencia de la bomba: 83%, Eficiencia del motor: 94% 0% 7

8 ERI PX Power Model 2008 ERI Document No For use with PX-220 ONLY INPUTS IN RED A B C D E F G H FLOW m 3 /hr m 3 /day 8,843 12,757 8,843 12,757 21,600 8,640 12,960 12,960 PRESSURE bar SALINITY mg/l 46,190 46,190 46,190 48,137 47, ,638 76,721 SYSTEM PARAMETERS HIGH PRESSURE PUMP Membrane Differential bar 0.7 Pump Efficiency % 81% Recovery % 40% Motor Efficiency % 97% Temperature C 23 Power kw 878 PRESSURE EXCHANGERS CIRCULATION / BOOSTER PUMP PX-220 Units/Array quantity 12 Pump Efficiency % 83% Unit Flow m 3 /hr 45.0 Motor Efficiency % 94% Lead Flow % 0% VFD Efficiency % 97% Lubrication Flow/PX m 3 /hr 0.71 Power kw 35 Lubrication Flow/Array m 3 /hr 8.5 Lubrication Flow % 1.6% OVERALL POWER CONSUMPTION Differential HP side bar 1.1 Total kw 913 Differential LP side bar 0.7 Specific Energy kwh/m Salinity membranes 2.5% Salinity PX 4.2% Volumetric PX % 6.0% PX Overall Efficiency % 96.1% PX Power Savings kw 1,257 Figura 8. Power Model de ERI según escenario columna 2 tabla 2. En la columna 1 de la tabla 2, se presentan los datos básicos de diseño de un tren de la desaladora de Alicante II. Los valores que se muestran se han tomado de las bases de diseño del proyecto y de los resultados obtenidos con las herramientas de cálculo mencionadas anteriormente. Varios factores en la calidad del agua de entrada han provocado que las condiciones de operación en la planta difieran sensiblemente de las de diseño. Véase la columna 2 en la tabla 2. Los principales cambios han sido los siguientes: - Salinidad del agua de entrada superior a la prevista por influencia de los saladares próximos a la zona de toma de agua. Este factor estaba considerado en el diseño, pero se constatan en los valores de salinidad de entrada de la planta que los valores son elevados. - Presión de trabajo superior a la prevista debido a formación de una película de compuestos orgánicos yodados sobre la superficie de la membrana, dando una calidad de permeado superior a la prevista pero aumentando la presión de operación. Sin embargo, este factor produce unas circunstancias de alto rechazo en las membranas favorables para la eliminación del Boro y otras sales sin la necesidad de un segundo paso. 8

9 Debido a estos dos factores la presión de trabajo teórica a una recuperación del 45% ascendería a un valor aproximado superior a 75 bar, descendiendo significativamente el caudal de producción según se puede ver en la curva de la bomba de alta presión en la figura 6. Tabla 2. Datos principales de funcionamiento de los trenes de OI Columna 1 Columna 2 Columna 3 Datos de diseño por tren Teórico fase diseño Teórico según Datos reales Año 0. datos de trabajo Caudal de producción 388 m3/h 360 m3/h 360 m3/h Caudal de rechazo 489 m3/h 540 m3/h 540 m3/h Caudal LPin 482 m3/h 542 m3/h 542 m3/h Temperatura 26.5 ºC 21 ºC 21ºC Salinidad agua de mar ppm TDS ppm TDS 67.4 ms/cm ( ppm TDS) Salinidad entrada a membranas ppm TDS ppm TDS ms/cm (47330 ppm TDS) Salinidad producto 395 ppm TDS 309 ppm TDS 180 micros/cm (84.6 ppm TDS) Incremento Salinidad 2.8 % 2.5% 2.24% (cond) (< 3% garantizada) 2.47% (TDS) Caudal de lubricación 7.5 m3/h (1.5%) 8.5 m3/h (1.6%) 4 m3/h (0.72%) Conversion de trabajo 45 % 40.4% 40.4% Fouling factor n/a Presion de trabajo entrada bar 70.6 bar 70.6 bar membranas Numero de PX Caudal Unitario por PX 40.8 m3/h 45.0 m3/h 45.0 m3/h Eficiencia PX 96.3 (estimada) 96.1 % % (>95% garantizada) Consumo especifico * 2.33 Kwh/m kwh/m promedio Kwh/m3 Presión salida del permeado 1 bar 1bar 1bar Presión alimentación en Baja 2 bar 2 bar 3.2 presión Flujo de permeado lmh lmh lmh *Consumo específico: asumiendo consumo de la Bomba de Alta presión y bomba de circulación. Nota: si bien este documento refleja un incremento en el consumo energético en el primer paso de OI debido a incrementos de presión de trabajo con respecto al diseño inicial, conviene resaltar que la mayor calidad de permeado resultante de trabajar a mayor presión en el primer paso ha permitido eliminar el segundo paso de OI, de forma que el consumo energético total de la planta tiene un balance positivo. 9

10 Las formulas de eficiencia energética son: Consumo específico = QHP x PHP 36 x ηhp x ηhpm + QCP x PCP 36 x ηcp x ηhpm Eficiencia energética = Energía Out Energía In x 100 Donde, QHP = Caudal de la bomba de alta presión (BAP) en m3/h PHP = Presión diferencial Bomba de alta presión (bar) ηhp = Rendimiento / eficiencia BAP y ηhpm = Rendimiento / eficiencia del Motor de BAP QCP = Caudal bomba de circulación (CP) en m3/h PCP = Presión diferencial CP (bar) ηcp = Rendimiento / eficiencia CP yηhpm = Rendimiento / eficiencia del motor CP Como se comenta anteriormente, el incremento de presión en la entrada de membranas provocó que la bomba de alta se desplazara en su curva, resultando en un descenso significativo de caudal. En las plantas con Sistemas de Intercambio de Presión, el caudal impulsado por la bomba de alta presión es básicamente el caudal de permeado. La combinación de una salinidad superior y la presencia de compuestos orgánicos yodados, hacía que la presión de entrada a membranas se incrementara en aproximadamente 10 bar, reduciendo significativamente la producción de permeado. Con el fin de poder alcanzar valores de producción razonables y cercanos a los valores de diseño, se considera trabajar a tasas de conversión inferiores a las previstas (40%); véase columna 2. En una planta con SIP, esta modificación se puede realizar de manera muy sencilla (incrementando la frecuencia del variador de la bomba de circulación o booster) y sin penalización energética (ya que los SIP son equipos de desplazamiento positivo, que no ven alterada su eficiencia por cambios de caudal y/o presión). De esta forma, la presión de entrada a membranas se reduce de 75 bar a 45% de conversión, a 70 bar a 40% de conversión, con la consiguiente producción adicional de permeado. En la columna 2 de la Tabla 2 se pueden ver los valores teóricos resultado de calcular los valores de eficiencia energética y consumo específico con los nuevos parámetros de diseño. Estos parámetros han sido tomados según las presiones de operación, caudales y salinidades reales de la planta en la entrada de agua de mar y salida de permeado. Se han proyectado los cálculos teóricos para las membranas y se modificó el factor de ensuciamiento con el fin de asemejar presiones similares a la de la planta real. Posteriormente se procedió a realizar los nuevos power model con el fin de estimar la eficiencia de los sistemas de intercambio de presión y el consumo específico teórico. Como se ha mencionado anteriormente, la conversión de trabajo se ha reducido a un 40% por lo que el aumento en caudal de rechazo ha aumentado en un 10%, provocando un aumento del caudal unitario de los recuperadores PX (de 40.8 m3/h a 45.0 m3/h). Como se puede apreciar en la tabla 2, la eficiencia teórica en las nuevas condiciones de trabajo se mantiene igual. Por otro lado, el consumo específico de energía ha aumentado debido al compuesto orgánico mencionado anteriormente y el consiguiente aumento de presión de trabajo de 62.9 bar a 70 bar. 10

11 Finalmente, las dos primeras columnas de la Tabla 2 pueden ser comparadas con valores promedios medidos en campo que se muestran en la columna 3 de la tabla. El consumo específico que se muestra en Kwh./m3 representa únicamente la bomba de circulación y la bomba de alta presión. Los valores mostrados se han obtenido de la medida directa y registrada en ambas bombas. Cabe destacar de los valores obtenidos, que frente un cambio en las condiciones de trabajo la eficiencia del equipo se ha mantenido constante y superior a los valores teóricos estimados (97.22%), por lo que confirma que los sistemas de intercambio de presión isobáricos (desplazamiento positivo) no varían su eficiencia por cambios de presión y caudal, como ocurre con los equipos centrífugos tipo turbina o turbo-charger, y por lo tanto no producen cambios significativos en el consumo específico de la planta. Los posibles cambios en consumo específico vendrán derivados de los factores de ensuciamiento o condiciones de trabajo que afectarán a la presión de trabajo en las membranas. Salinidad y Caudal de lubricación: En la tabla 2 se puede observar dos parámetros relacionados con el rendimiento del recuperador de energía: el incremento de salinidad a la entrada a membranas y el caudal de lubricación. La salinidad de membranas se ha calculado según la siguiente fórmula: Mixing = TDS entrada memb. TDS LPin TDS Lpin x 100 Los valores actuales de mezcla en entrada a membranas no superan el 2.5%. Otro elemento singular de los recuperadores es el caudal de lubricación. El caudal de lubricación es variable según las condiciones de temperatura, presión de trabajo y caudal unitario de operación en cada recuperador PX. Esto significa que según el modelo de cálculo, en condiciones de diseño (columna 1), el caudal de lubricación debería ser menor que en las condiciones reales, ya que se opera a mayor presión y mayor caudal unitario, aunque compensado parcialmente por una reducción de temperatura del agua en condiciones reales. Los valores reales medidos en campo, por diferencia de medida de caudales, nos muestran que los caudales de lubricación están muy por debajo de los calculados. Por último, la figura 9 muestra los valores de caudales de trabajo en la planta. Cabe destacar la disminución en la producción debido a los fenómenos anteriormente mencionados, y que la planta opera con caudales iguales en las líneas de Baja Presión y Alta Presión de los SIP (caudales balanceados). Nótese también en la parte inferior de la figura, la tendencia constante del caudal de lubricación. 11

12 Caudales en m3/h FI_3125.PV Caudal entrada bomba alta presion. HPP flow FI_3132.PV caudal entrada PX LP IN flow FI_3139.PV Caud Salida permeado FI_3146.PV Booster pump flow FI_3153.PV Caudal descarga de salmuera LP OUT FLOW /27/08 12:00 AM 6/1/08 12:00 AM 6/6/08 12:00 AM 6/11/08 12:00 AM 6/16/08 12:00 AM 6/21/08 12:00 AM 6/26/08 12:00 AM Figura 9. Caudales significativos en m3/h durante mes de junio 4. CONCLUSIONES En términos de diseño de los recuperadores de energía, la concepción a caudales bajos del rango de diseño incrementa significativamente la flexibilidad de operación frente a cualquier eventualidad sin penalizar el consumo energético específico en el primer paso de la Osmosis Inversa. La redundancia de equipos en grupos de Sistemas de Intercambio de Presión permite tener un rango muy amplio de trabajo, unidades de reserva instaladas y operativas, y minimización del ruido de los equipos. Altas eficiencias energéticas se mantienen en cualquier rango de operación. Cualquier aumento de presión y por tanto de consumo específico de energía no tiene relación alguna con el recuperador de energía isobárico. Estos cambios de presión y caudal en un equipo centrífugo significarían una reducción en la eficiencia energética que añadida al incremento de consumo específico debido a un eventual ensuciamiento de las membranas empeoraría el consumo eléctrico de la planta. Los compuestos orgánicos han realizado un efecto equivalente a si hubiera un descenso de la temperatura del agua (simulando con ROSA equivale a un descenso de la temperatura del agua hasta 5ºC), obteniendo una calidad de permeado superior pero con un presión de operación muy superior. Esta particularidad nos permite llegar a la siguiente conclusión: Los Sistemas de Intercambio de Presión isobáricos permiten variar las recuperaciones de trabajo de la planta con el fin de poder mantener la producción de permeado deseada sin perjudicar al consumo energético específico. Por el contrario, cualquier sistema centrífugo como una turbina o un turbochager, en estas condiciones específicas se encuentran limitadas para contrarrestar variaciones por los motivos siguientes: (1) Los equipos centrífugos no pueden incrementar la producción por medios de bajar la recuperación (ya que la Bomba de alta presión bombea el 100% del caudal y por tanto reducir conversión significa derivar más caudal hacia el rechazo) 12

13 producir mas. Por tanto bajar conversión es bajar producción, resultando en baja eficiencia energética; y (2) solo podrían aumentar producción aumentando la recuperación de trabajo por encima de 45% con las consecuencias que esta acción conlleva: mayor consumo energético, reducción de la eficiencia energética de los recuperadores al ser del tipo centrífugo, aumento de dosificación de antiincrustante, riesgo adicional de ensuciamiento de membranas, limitación en presión de trabajo y reducción de vida de las membranas. Por tanto, el diseño de grupos de Sistemas de Intercambio de Presión isobáricos con una redundancia de equipos permite la máxima flexibilidad operativa y máxima eficiencia energética. 5. RECONOCIMIENTOS Queremos agradecer al equipo humano de la desaladora de Alicante por su colaboración en la obtención de datos y a su Jefe de Planta, Gonzalo Fernández. Asimismo agradecer la colaboración de Rolando Bosleman de Energy Recovery, Inc por la toma de datos y soporte en el análisis de los mismos y a Belén Gutiérrez de OHL Medio Ambiente, INIMA. 6. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS M.A. Sanz and R.L. Stover, Low Energy Consumption in the Perth Seawater Desalination Plant,Proceedings of the International Desalination Association World Congress, Maspalomas, Gran Canaria (2007). AEDYR, Criterios de Normalización sobre los Sistemas de Intercambio de Presión, Rev0, CONTACTO Antonio Ordóñez. OHL Medio Ambiente, INIMA, Paseo de la Castellana, Madrid, España Tel , ordonez@inima.com Joan Galtés, Energy Recovery, Inc, Ribera del Loira, Madrid, España. Tel , jgaltes@energyrecovery.com Borja Blanco, Energy Recovery, Inc, Ribera del Loira, Madrid, España. Tel , bblanco@energyrecovery.com 13