El diseño de una instalación de aire comprimido puede seguir una serie de pasos secuenciales básicos, los cuáles vamos a describir a continuación:

Transcripción

1 3. Guía para la elaboración de un sistema de aire comprimido en una planta termosolar El diseño de una instalación de aire comprimido puede seguir una serie de pasos secuenciales básicos, los cuáles vamos a describir a continuación: 3.1 Definición de parámetros de operación y diseño: El primero de los pasos a seguir es definir y fijar los parámetros de operación y diseño del sistema de aire comprimido. Estos valores se fijaran en función de las condiciones ambientales, que dependerán de la situación geográfica de la planta, y de los requisitos de presión y temperatura de los consumidores. Las condiciones normales de operación suelen fijarse en torno a las condiciones ambientales. Se necesita conocer también la presión minina necesaria de funcionamiento de la maquinaría neumática, o al menos estimarla, para poder fijar un valor mínimo de presión necesaria en el suministro de aire (Pmin); ya que de ella dependerá el futuro dimensionamiento del compresor. 3.2 Identificación de sistemas y elementos neumáticos : Localizar e identificar cada proceso de la planta que requiera de aire comprimido, ya sea de instrumentos o de servicios, así como de la maquinaria que precisa de éste suministro para poder estimar posteriormente el consumo de aire comprimido. 52

2 En la siguiente tabla se muestran los sistemas de una planta termosolar que generalmente requieren el uso de aire de instrumentos/servicios: Sistema Aire de instrumentos Aire de servicios Agua de alimentación X X Agua de servicios X X Agua Potable X X Planta tratamientos de agua X X Aire comprimido Contraincendios Condensado/Feedwater Enfriamiento (ACS) Calderas de HTF X X Turbina X X Dosificación química X X Sistema de muestreo X X Regeneración X X Almacenamiento (Storage) Sistema de nitrógeno Generador de vapor X X Booster heaters X X Laboratorios Talleres Edificio Eléctrico Estación de combustible X X X X X X X X X X Tabla 3.1. Sistemas con uso de aire comprimido Posteriormente se analizará el tipo de consumidor y consumo medio de aire por sistema para poder hacer una buena estimación del caudal de aire de instrumentos y servicios y poder así comenzar a dimensionar los compresores, los tanques y redes de suministro en pasos posteriores. 53

3 3.3 Estimación del consumo de aire comprimido de la planta: En este paso vamos a estimar el consumo de todos los dispositivos de aire de instrumentos y servicios. En ocasiones se conocerá con exactitud los consumos de algunos equipos o sistemas de la planta termosolar mencionados en el apartado anterior, pero lo más normal es que tengamos que hacer una aproximación del consumo medio y del número de consumidores. Para hacer una aproximación fiable del caudal de aire y presión necesaria en la red nos vamos a ayudar de tablas o información suministrada por los proveedores. Para el aire de instrumentos deberemos tener en cuenta: Consumos válvulas neumáticas; ya sean válvulas de control como válvulas todo/nada. Como datos de partida de forma general para las válvulas se considerará: Consumo unitario válvulas de control 1.4 Nm 3 /h Factor simultaneidad válvulas de control 100% Consumo unitario válvulas todo/nada 2 Nm 3 /h Factor simultaneidad válvulas todo/nada 30% Herramientas neumáticas: utilizadas en talleres y en el montaje de diversos equipos de la planta. 54

4 Equipos: En este apartado se englobaría el consumo de aire comprimido de los equipos de cada sistema; por ejemplo el caudal de aire que necesitarían bombas, calderas, etc. así como la presión mínima necesaria de este aire para su correcto funcionamiento. Esta información se conseguirá de las hojas de datos facilitadas por los suministradores de los diferentes equipos. Se ha de hacer una estimación de consumo de aire de instrumentos (Q I) por cada sistema teniendo en cuenta los consumidores y consumos mencionados anteriormente. Según las válvulas se supondrá un número de botellas distribuidoras para el aire de instrumentación. Cada conexión en la botella distribuidora tiene un alcance de 6m a 12m de tramo recto y disponen de 10 a 16 conexiones, de las cuales dos son de reserva. Ver figura 3.2 Tabla 3.2. Imagen botella distribuidora de aire comprimido 55

5 Para la distribución del aire de instrumentos existen varios modelos de botellas suministradoras de aire comprimido; principal diferencia entre ellas es el número de conexiones de mangueras que tienen. Los más comunes son los que tienen 14 o 16 conexiones. Se pueden usar indistintamente dependiendo del número de conexiones que necesitemos en la zona donde vayamos a ubicarlo. Radio de acción media del barrilete 10 m Número de barriles X Número de conexiones por cada barril 1-5 Consumo unitario por conexión 15 Nm 3 /h Como el radio de acción de las botellas suministradoras es amplio y estas poseen múltiples conexiones, podemos agrupar varias zonas próximas en planta para que compartan barrilete, es decir no es necesario ubicar un barrilete por sistema si por ejemplo hay dos muy cercanos y ambos se bastan con las 16 conexiones de aire comprimido que ofrece el barrilete. El aire de servicios como se suministrará con tomas de mangueras flexibles o con conexiones directas a los equipos. Debemos estimar el número de este tipo de conexiones que necesitaremos a la hora de dimensionar nuestra planta En primera aproximación, el consumo de aire de servicios (Q s) será: Identificación de consumidores o zonas Radio de acción de cada conexión (m) Conexiones Consumo Unitario (Nm3/h) Factor de Simultaneidad (%) Consumo Total (Nm3/h) Agua de alimentación Agua de servicios Agua Potable Planta tratamientos de agua Calderas Turbina

6 Identificación de consumidores o zonas Radio de acción de cada conexión (m) Conexiones Consumo Unitario (Nm3/h) Factor de Simultaneidad (%) Dosificación química Sistema de muestreo Ullage Laboratorios Talleres Edificio Eléctrico Gas Oil/ Fuel Oil Total (Q s ) Consumo Total (Nm3/h) Tabla 3.3. Consumo aire de servicios Una vez calculados ambos caudales de aire, ya tenemos una primera aproximación de cuál será el requerimiento de aire comprimido de la planta (Q t ). Q t = Q s +Q I (Nm 3 /h) (3.1) 3.4 Presiones de operación: Determinar la presión más elevada (P max ) que requieren estos elementos así como la mínima de funcionamiento de los equipos (P min ). Las herramientas neumáticas, que dependerán del aire de servicios, tienen por lo general una presión de trabajo entre 6-7 barg. Del aire de instrumentación dependerán los equipos de la `planta y las válvulas de control, las presiones normales de operación en este caso van de los 8-9 barg; un poco más altas que las del aire de servicios. 3.5 Factores para dimensionamiento: Estimación valor de fugas y margen para futuras ampliaciones de la instalación: 57

7 Puesto que las fugas dependen del número y del tipo de conexiones, de la calidad de la instalación, de los años de la misma y de la presión de trabajo, es difícil determinar un valor esperado de fugas en la instalación. Como regla general, es de esperar que muchos puntos de consumo con necesidades bajas tendrán muchas más fugas que pocos puntos de consumo con necesidades de caudal altas. Instalaciones bien conservadas presentan normalmente fugas que rondan entre el 2 y el 5%. Instalaciones con varios años de servicio pueden llegar a tener fugas del orden del 10%. Si además, las condiciones de mantenimiento son malas, estas pueden llegar a alcanzar valores del 25%. Otro factor que hemos de tener en cuenta a la hora de diseñar una instalación de aire comprimido es una probable ampliación de las instalaciones a corto/medio plazo; por ello se va a sobredimensionar el tamaño de las conducciones principales entorno a un factor del 10%. Como tónica general se van a tomar ambos factores como un 10%, por lo que nuestro caudal final a tener en cuenta para el dimensionamiento será: Qf = Q t *1.20 (Nm 3 /h) (3.2) Si existe algún factor más a tener en cuenta deberá de aplicársele también a este caudal final. 3.6 Dimensionamiento de la red: Una vez conocido el caudal total de las planta tras haberle sumado los porcentajes para posibles ampliaciones y fugas, vamos en este apartado a dimensionar la red principal de la instalación con la ayuda de las siguientes ecuaciones: 58

8 v= (3. 3) y A= πr 2 (3. 4) Siendo: Q: caudal en m 3 /s V: Velocidad en m/s A: Sección de la tubería en m 2 R, radio de la tubería en m. De este valor sacaremos el diámetro con D= 2R Para ello hemos de tener en cuenta que el criterio de velocidad para tuberías de aire comprimido se encuentra de los 6-10 m/s, aunque en los colectores principales del sistema aunque se pueden llegar a admitir velocidades de hasta los 20 m/s. Si fijamos la velocidad máxima en 10 m/s y la mínima en 6 m/s obtendremos los diámetros máximos y mínimos respectivamente para los cuales se cumplen las condiciones de caudal y velocidad. Llegados a este punto la única condición que nos quedaría sería las exigencias de presión en el punto más alejado de la planta. Para ello hemos de calcular en primer lugar las pérdidas de carga del sistema para posteriormente dimensionar el compresor. 3.7 Cálculo de pérdidas de carga: Una vez llegados a este punto de la guía se deberá hacer una distribución de la instalación con el fin de comenzar el dimensionamiento y las pérdidas de carga de la instalación. 59

9 Antes de poder empezar a calcular las pérdidas de carga de la instalación debemos hacer una distribución en planta del trazado de la tubería de aire comprimido, usando las recomendaciones de la sección Hemos de fijar la ubicación de los botellas suministradoras de aire comprimido para el aire de instrumentos, y las tomas de mangueras para el aire de servicios de cada equipo /sistema anteriormente mencionado en el punto 3. Esta distribución no sólo nos servirá para ubicar y definir nuestro sistema de aire comprimido sino también para poder calcular las longitudes de las tuberías para a continuación realizar el cálculo de las pérdidas de carga de la línea. Para calcular las pérdidas de carga en las tuberías necesitamos determinar la longitud total (L t ) desde el compresor al punto más alejado de la instalación. Para ello a la longitud real (L) de tramo de tubería se le ha de sumar la longitud equivalente (L e ) que aportan las pérdidas singulares. Quedando L t = L + L e (3.3) Para calcular las pérdidas reales sumaremos todos los tramos de tubería hasta el punto más alejado teniendo siempre en cuenta el trazado de línea, es decir, subidas y bajadas de rack, giros, codos, etc. Una vez calculadas las longitudes equivalentes y sumados todos los tramos de tubería real hasta el punto más alejado de la instalación vamos a proceder a determinar la pérdida de carga asociada a esa longitud total (L t ). Para realizar este cálculo vamos a utilizar Darcy-Weisbach, cuya formulación es la siguiente: P= Ltv2 D2g = 8fgLtQ2 π 2 (3.4) 60

10 Siendo: P, las pérdidas producidas en la tubería en m, según la expresión de Darcy-Weisbach. f, factor de fricción adimensional, el cuál estudiaremos a continuación. L t, longitud total tubería, D, diámetro interior de la tubería en m. V, velocidad del flujo en m/s. g, aceleración de la gravedad, 9.81 m/s 2. El factor de fricción de Darcy-Weisbach (f) es, a su vez, función de la velocidad, del diámetro del tubo, la densidad, la viscosidad del fluido y la rugosidad interna de la tubería. Para calcular el factor de pérdidas f en la región laminar, es decir Re<2100, Poiseuille propuso en la siguiente ecuación: Re= ; donde Re número de Reynolds (3.5) Con Re = ; (3.6) Donde: Re, número de Reynolds D, diámetro de la tubería en m v, velocidad promedio del liquido (m/s), densidad del liquido, viscosidad del liquido Y para el cálculo del factor de pérdidas f, en régimen turbulento, es decir Re>4000, normalmente se usa la ecuación de Colebrook-White. 61

11 ! = 2 $%&' ( + -..! 1 " ).+! /0" (3.7) O la fórmula de Swamee y Jain, la cual debe cumplir en un rango determinado: f= : ; < =>?@ donde; (3.8) Donde A / D rugosidad relativa del tubo. G y T parámetros de ajuste: G = T = para 4000 < Re < 10 5 G = T = para 4000 < Re < G = T = 0.93 para < Re < 10 8 Tal y como mencionamos en la sección 2 de este proyecto las tuberías de aire servicio irán en acero galvanizado que tiene una rugosidad ( A ) comprendida entre 0.07 y 0.15 y las tubería de aire de instrumentación irán en acero inoxidable con A = Como todas estas ecuaciones mostradas son difíciles de resolver se suele utilizar también el diagrama de Moody que fue desarrollado a partir de la ecuación de Coolebrok-White (Ecuación 3.7) y constituye una solución gráfica para el coeficiente de fricción de f. Ver tabla

12 Figura 3.4. Ábaco de Moody Para los elementos de valvulería y calderería, las pérdidas de presión se estiman relacionando la pérdida de energía con el término cinético de la ecuación de Bernoulli, mediante el uso de un coeficiente adimensional que variará según el caso estudiado. P=K B -C (3.9) P, las pérdidas producidas en la tubería en metros. V, velocidad del flujo en m/s. K, Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular. g, aceleración de la gravedad, 9.81 m/s 2. El coeficiente K depende del tipo de singularidad. En la siguiente tabla se muestran algunos valores de las singularidades más típicas: 63

13 Tipo de singularidad K Válvula de compuerta totalmente abierta 0,2 Válvula de compuerta mitad abierta 5,6 Curva de 90º 1,0 Curva de 45º 0,4 Válvula de pie 2,5 Emboque (entrada en una tubería) 0,5 Salida de una tubería 1,0 Ensanchamiento brusco (1-(D1/D2)2)2 Reducción brusca de sección (Contracción) 0,5(1-(D1/D2)2)2 Tabla 3.5. Valor de K según tipo de singularidad Como podemos ver todo este cálculo es bastante laborioso, por ello, a efectos prácticos, en muchos casos se simplifica bastante el cálculo tomando algunas consideraciones sobre las pérdidas singulares: Para válvulas, puede tomarse como equivalente la pérdida descarga por rozamiento en una tubería recta de 10 m de longitud y de igual diámetro que el accesorio. En ocasiones, puede tomarse una longitud total de tubería incrementada en un 5 20 %, dependiendo de la longitud y el mayor o menor número de puntos singulares. Las pérdidas localizadas en general pueden despreciarse cuando, por término medio, haya una distancia de 1000 diámetros entre dos puntos singulares. Cabe mencionar que otra forma de calcular las pérdidas de carga es utilizando tablas o programas; como el Pipe el cuál utilizaremos para nuestro ejemplo en el 64

14 apartado siguiente, que ya incorporan los cálculos que se derivan de la ecuación de Darcy-Weisbach (ecuación 3.4). Para las pérdidas de carga en tuberías debidas a la fricción podemos utilizar diferentes tablas, la mostrada a continuación (ver figura3.6) sería un ejemplo para el acero. Podemos encontrar tablas de este tipo para materiales, diámetros, caudales.etc.. Tabla 3.6 Pérdidas de carga en tuberías de acero Y para calcular las pérdidas de presión singulares podemos ayudarnos de tablas o de las hojas de datos de los suministradores. La siguiente tabla muestra las pérdidas de carga localizadas para distintos elementos que se pueden encontrar en las instalaciones neumáticas 65

15 Tabla 3.7. Pérdidas de carga localizadas (Guía Atlas Copco) Los elementos singulares que se han de tener en cuenta para este tipo de pérdidas son: Codos, T s. Tubos de drenajes: Podemos considerar de a 0.13 bar de pérdidas. Filtros. Válvulas: Las pérdidas de carga en las válvulas dependerán del tipo y del tamaño. Las mangueras flexibles conectadas en los puntos finales. 66

16 Una vez calculadas las pérdidas totales de la instalación de aire comprimido, es decir, la suma de las pérdidas de la línea por fricción más las pérdidas singulares y conociendo la presión de trabajo máxima que se necesitará en el punto más alejado de la planta ya se está en disposiciones de calcular el compresor. 67

17 3.8 Selección de equipos: Selección del compresor: La selección del tipo de compresor y de su capacidad son parámetros críticos en el diseño de una instalación de aire comprimido. Una acertada elección supone un gran ahorro energético durante el funcionamiento normal de la instalación. En general, se establecen cinco pasos básicos para fijar correctamente la capacidad del compresor. A saber: Estimar el total de consumos de los dispositivos que emplean aire. Determinar la presión más elevada que requieren estos. Estimar un valor típico de fugas. Fijar las máximas caídas de presión admitidas tanto para los diversos elementos como para las conducciones. Otras consideraciones que afecten al diseño: condiciones medioambientales, del entorno, altitud, etc. Como se puede ver todas estas consideraciones son las que hemos ido tomando en pasos anteriores, por lo que sólo queda elegir el tipo más adecuado para aplicación. Se seleccionará el compresor considerando la presión máxima de operación de este como la Presión necesaria para llegar al punto más alejado de la instalación y aplicándole además un porcentaje de un 15%. El modelo de compresor más acertado para instalaciones de este tipo es el compresor rotativo exento de aceite, aunque esto también dependerá de las 68

18 exigencias del sistema de aire comprimido, de la planta y del diseñador de la instalación Selección de los tanques de instrumentación y servicios: Los tanques de aire de instrumentación y servicios tienen como finalidad proteger los compresores en los ciclos de arranque y paradas de estos, además de tener la capacidad suficiente para en caso de fallo poder llevar a los equipos de la planta a situación de paro seguro para evitar así posibles daños de las instalaciones y equipos neumáticos. Tanque de aire de instrumentos: Para el cálculo del volumen del tanque de aire de instrumentos tenemos en cuenta: 1. Tiempo residencia, será el suficiente para abastecer los equipos neumáticos de la planta de aire comprimido hasta la situación de paro seguro. Este tiempo suele oscilar entre minutos 2. El caudal del aire de instrumentos 3. Presiones de arranque y paro del compresor respectivamente, según nuestras presiones mínimas y máximas admisibles por el sistema de aire comprimido. Partimos de la ecuación de los gases nobles de donde calcularemos el número de moles de aire comprimido de nuestro sistema. P V = n R T P V n = (3.10) R T 69

19 Como el volumen de un mol de gas en condiciones normales es de 0,0224 m 3, calcularemos el volumen de un mol de aire a las condiciones de operación del sistema, partiendo de la base de que la cantidad de masa es invariable independientemente de las condiciones a las que se encuentre el gas. D 9E 9 / F 9 = D B EB / F B (3.11) Siendo: - R=0, GHI J J43 G la constante de los gases perfectos. - Las condiciones 1, serían las condiciones normales. - Las condiciones 2, serían las condiciones de operación de nuestro sistema. De la ecuación 3.11 calcularemos el V 2 (m 3 ) de aire a nuestras condiciones de operación, que será en la siguiente ecuación el V m A continuación volviendo a hacer uso de la ecuación de los gases perfectos y de las presiones de arranque y paro del compresor, que determinaremos según las exigencias de nuestro sistema, calcularemos el volumen del tanque de instrumentación. KL5MNL5OJ LJP Q QRS T = L?UK DMNDO / F?U (3.12) Siendo: V si- V sf = Q aire θ; (3.13) 70

20 Teniendo en cuenta que: - Q aire ; es el caudal de aire de instrumentación en m 3 /h - θ ; es el tiempo de residencia que establezcamos - V m ; será el volumen de aire por mol calculado con la ecuación 3.11 (m 3 /mol) - V TQ ; Volumen del tanque de instrumentación, en este caso nuestra incógnita (m 3 ) - T TQ ; temperatura del aire de instrumentación - P i y P f ; serán las presiones de arranque y paro del compresor (Kpa). Estas presiones las obtendremos tras el cálculo de las pérdidas de carga, ya que serán las presiones mínimas y máximas que necesita nuestro sistema de aire comprimido para cumplir las exigencias de la planta. Si sustituimos la ecuación 3.13 en la 3.12 y despejamos V TQ, obtendremos finalmente el volumen del tanque de instrumentación: V R TTQ ( Pi Pf ) Qaire θ = ( Pi Pf ) Vm m (m 3 ) (3.14) mol TQ 3 Tanque de aire de servicios: Con el fin de respaldar la red de instrumentación, la cual es imprescindible para el funcionamiento de la planta termosolar, el tanque del aire de servicios debe tener capacidad suficiente para abastecer las necesidades del aire de instrumentos por si se produjese algún fallo en el suministro de éste. 71

21 Por este motivo la capacidad del tanque de servicios será igual a la del tanque de instrumentos aunque realmente tenga un caudal y presión de operación menores al de instrumentación. 3.9 Ejecución del piping final y tamaño de la red : Una vez realizados los cálculos dimensionados los equipos ya estamos en disposiciones de realizar el trazado y tamaño definitivo de la red de aire comprimido Normativa aplicable: La normativa que se ha de tener en cuenta en el diseño de un sistema de aire comprimido para una planta termosolar será: ISO Introducida en el 2001, la norma ISO específica normas de calidad de aire. Esta normativa desarrolla 6 clases de calidad del aire mostradas a continuación: Figura 3.8 Tabla ISO 8573 sobre calidad del aire 72

22 En una instalación de aire comprimido tanto los compresores, las secadoras como los filtros/postfiltros deberán cumplir la calidad 0 exigida por la ISO Real Decreto 2060/2008, de 12 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento de equipos a presión y sus instrucciones técnicas complementarias. Este reglamento complementa la legislación de equipos a presión prevista en el Real Decreto 769/1999, de 7 de mayo, por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva del Parlamento Europeo y del Consejo, 97/23/CE, relativa a los equipos a presión y se modifica el Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, que aprobó el Reglamento de Aparatos a Presión. Mediante el presente real decreto se aprueba un nuevo reglamento por el que se establecen los requisitos para la instalación, puesta en servicio, inspecciones periódicas, reparaciones y modificaciones de los equipos a presión, con presión máxima admisible superior a 0,5 bares, entendiéndose como tales los aparatos, equipos a presión, conjuntos, tuberías, recipientes a presión simples o transportables. Además, se aprueban instrucciones técnicas complementarias para determinados equipos o instalaciones ASME Sección VIII, División I, En esta parte del código se establecen los requerimientos mínimos para el diseño, fabricación e inspección y para obtener la certificación autorizada de la ASME para los recipientes a presión. Los tanques de aire de instrumentación y de servicios deberán cumplir también esta normativa. ISO 1217; 1996: Los compresores de la planta deberán cumplir las pruebas de aceptación conforme conforme al anexo C. 73

23 ISO 9001: Todos los equipos de la planta deberán cumplir las normas de calidad para certificación establecidas en la ISO 9001:2008 UNE 1062 Y UNE 1063: Siendo la primera de ellas para signos convencionales de tuberías y la segunda para colores de tuberías en instalaciones. Según la UNE 1063 el aire comprimido llevará el pintado en azul. La normativa DIN 2403 también trata los colores de tuberías según el tipo de instalación. Normas DIN: Las diferentes normas DIN lleva a cabo la normalización de válvulas accesorios, tuberías, codos bridas, etc. 74